`MySQL`的`缓存`：`Query Cache`、`Buffer Pool`和`Thread Cache`的`工作`原理`。

好的，我们开始今天的讲座，主题是MySQL的Query Cache、Buffer Pool和Thread Cache的工作原理。这三者是MySQL性能优化的关键组成部分，理解它们的工作方式对于编写高效的SQL语句和配置MySQL服务器至关重要。

一、Query Cache：查询缓存

Query Cache是MySQL中一个非常古老的缓存机制，其主要目的是缓存SELECT查询的结果。当相同的查询再次执行时，MySQL可以直接从缓存中返回结果，而无需再次解析SQL、执行查询和访问磁盘。然而，由于其自身的局限性，从MySQL 8.0版本开始，Query Cache已经被彻底移除。理解它对于理解MySQL的演进以及在旧版本中的性能调优仍然有意义。

1. 工作原理

Query Cache的工作流程如下：

1. 查询接收： MySQL服务器接收到一个SELECT查询。
2. Hash计算： 服务器计算查询语句的Hash值，这个Hash值作为Query Cache的Key。
3. 缓存查找： 服务器在Query Cache中查找是否存在具有相同Hash值的记录。
4. 命中： 如果找到匹配的记录（即缓存命中），服务器直接返回缓存的结果，跳过SQL解析、优化、执行等步骤。
5. 未命中： 如果没有找到匹配的记录（即缓存未命中），服务器按照正常的流程执行查询：解析SQL、优化、执行、访问磁盘读取数据。
6. 结果缓存： 查询执行完成后，服务器将查询语句的Hash值和查询结果存储到Query Cache中，以便下次使用。
7. 缓存失效： 当表中的数据发生变化（例如，插入、更新、删除操作），所有依赖于该表的Query Cache条目都会失效。

2. 配置参数

在MySQL 5.x和部分MySQL 8.0版本中，可以通过以下参数配置Query Cache：

• query_cache_type: 控制Query Cache的开启和关闭。
  • 0或OFF: 关闭Query Cache。
  • 1或ON: 开启Query Cache，但显式指定SQL_NO_CACHE的查询不会被缓存。
  • 2或DEMAND: 只有显式指定SQL_CACHE的查询才会被缓存。
• query_cache_size: 指定Query Cache的大小，单位是字节。
• query_cache_limit: 指定可以缓存的单个查询结果的最大大小，单位是字节。如果查询结果超过这个大小，则不会被缓存。
• query_cache_min_res_unit: 指定Query Cache中分配的最小内存块大小，单位是字节。

3. 示例

以下示例展示了如何开启Query Cache并在查询中使用SQL_CACHE和SQL_NO_CACHE提示：

-- 开启Query Cache
SET GLOBAL query_cache_type = 1;

-- 设置Query Cache大小
SET GLOBAL query_cache_size = 64 * 1024 * 1024; -- 64MB

-- 使用SQL_CACHE提示，强制缓存查询结果
SELECT SQL_CACHE * FROM users WHERE id = 1;

-- 使用SQL_NO_CACHE提示，禁止缓存查询结果
SELECT SQL_NO_CACHE * FROM products WHERE category = 'electronics';

4. 局限性

Query Cache存在以下几个主要的局限性：

• 精确匹配： Query Cache要求查询语句必须完全一致（包括空格、大小写等）才能命中缓存。
• 表数据变更： 任何对表的写入操作都会导致所有依赖于该表的缓存失效，在高并发写入的场景下，Query Cache的命中率会非常低，甚至可能成为性能瓶颈。
• 锁竞争： Query Cache使用全局锁来管理缓存，在高并发场景下，锁竞争会非常激烈，影响性能。
• 碎片问题： Query Cache的内存分配和释放可能会导致内存碎片，影响缓存的效率。
• 复杂性： 维护Query Cache的有效性增加了MySQL服务器的复杂性。

由于上述局限性，Query Cache在实际应用中的效果往往不如预期，尤其是在高并发写入的场景下。这也是MySQL 8.0彻底移除Query Cache的主要原因。

二、Buffer Pool：缓冲池

Buffer Pool是MySQL InnoDB存储引擎中最重要的缓存机制，用于缓存表数据和索引数据。通过将热点数据加载到内存中，Buffer Pool可以显著减少磁盘I/O，提高查询性能。

1. 工作原理

Buffer Pool的工作流程如下：

1. 数据请求： 当InnoDB需要读取表数据或索引数据时，首先检查Buffer Pool中是否存在所需的数据页。
2. 命中： 如果数据页已经在Buffer Pool中（即缓存命中），则直接从Buffer Pool中读取数据，避免磁盘I/O。
3. 未命中： 如果数据页不在Buffer Pool中（即缓存未命中），则InnoDB从磁盘读取数据页，并将其加载到Buffer Pool中。如果Buffer Pool已满，则会根据一定的淘汰算法（例如LRU）选择一个最近最少使用的数据页进行替换。
4. 数据更新： 当InnoDB需要更新表数据时，首先在Buffer Pool中找到对应的数据页，进行修改。修改后的数据页会被标记为“脏页”（dirty page），表示数据页中的数据与磁盘上的数据不一致。
5. 脏页刷新： InnoDB会定期将Buffer Pool中的脏页刷新到磁盘，以保证数据的一致性。这个过程称为“checkpoint”。

2. 配置参数

以下是与Buffer Pool相关的常用配置参数：

• innodb_buffer_pool_size: 指定Buffer Pool的大小，单位是字节。这是最重要的参数，应该根据服务器的可用内存和数据量进行合理配置。通常建议将innodb_buffer_pool_size设置为可用内存的50%-80%。
• innodb_buffer_pool_instances: 指定Buffer Pool的实例数量。将Buffer Pool分成多个实例可以减少并发访问时的锁竞争，提高性能。建议在Buffer Pool大于1GB时，将其分成多个实例。
• innodb_buffer_pool_load_at_startup: 指定是否在MySQL服务器启动时将Buffer Pool中的数据加载到内存中。
• innodb_buffer_pool_dump_at_shutdown: 指定是否在MySQL服务器关闭时将Buffer Pool中的数据转储到磁盘，以便下次启动时加载。
• innodb_lru_algorithm: 指定Buffer Pool的LRU淘汰算法。MySQL 5.7及之前版本使用标准的LRU算法，MySQL 5.7及之后版本引入了midpoint insertion策略，可以避免全表扫描等操作导致的Buffer Pool污染。

3. 示例

以下示例展示了如何配置Buffer Pool的大小和实例数量：

-- 设置Buffer Pool大小为8GB
SET GLOBAL innodb_buffer_pool_size = 8 * 1024 * 1024 * 1024;

-- 设置Buffer Pool实例数量为8
SET GLOBAL innodb_buffer_pool_instances = 8;

4. LRU算法和Midpoint Insertion策略

InnoDB的LRU算法用于选择Buffer Pool中需要被淘汰的数据页。标准的LRU算法将Buffer Pool分成两个列表：new列表和old列表。当一个数据页被访问时，它会被移动到new列表的头部。当Buffer Pool已满时，从old列表的尾部淘汰数据页。

标准的LRU算法存在一个问题：全表扫描等操作可能会将大量不常用的数据页加载到Buffer Pool中，导致热点数据被淘汰，影响性能。为了解决这个问题，MySQL 5.7及之后版本引入了midpoint insertion策略。

在midpoint insertion策略中，当一个数据页被加载到Buffer Pool中时，它会被插入到LRU列表的中间位置（即midpoint）。只有当数据页被再次访问时，才会被移动到new列表的头部。这样可以避免全表扫描等操作导致的Buffer Pool污染。

5. Buffer Pool状态监控

可以通过以下SQL语句查看Buffer Pool的状态：

SHOW ENGINE INNODB STATUSG

在输出结果的BUFFER POOL AND MEMORY部分，可以查看Buffer Pool的大小、使用率、命中率等信息。

6. 影响Buffer Pool性能的因素

以下因素会影响Buffer Pool的性能：

• Buffer Pool大小： Buffer Pool越大，可以缓存的数据越多，命中率越高，性能越好。
• 数据访问模式： 如果数据访问具有局部性，即经常访问的数据集中在少数几个数据页中，则Buffer Pool的命中率会很高。
• 全表扫描： 全表扫描会将大量不常用的数据页加载到Buffer Pool中，导致热点数据被淘汰，影响性能。
• 并发访问： 高并发访问会导致锁竞争，影响Buffer Pool的性能。
• 脏页刷新： 频繁的脏页刷新会占用磁盘I/O，影响性能。

三、Thread Cache：线程缓存

Thread Cache是MySQL中用于缓存线程的机制。当客户端连接MySQL服务器时，服务器会创建一个新的线程来处理客户端的请求。当客户端断开连接时，这个线程不会立即销毁，而是被缓存到Thread Cache中。当有新的客户端连接时，服务器可以从Thread Cache中重用线程，而无需创建新的线程，从而减少了线程创建和销毁的开销，提高了性能。

1. 工作原理

Thread Cache的工作流程如下：

1. 客户端连接： 当客户端连接MySQL服务器时，服务器首先检查Thread Cache中是否存在空闲的线程。
2. 命中： 如果Thread Cache中有空闲的线程，服务器会从Thread Cache中取出一个线程，分配给客户端使用。
3. 未命中： 如果Thread Cache中没有空闲的线程，服务器会创建一个新的线程，分配给客户端使用。
4. 客户端断开连接： 当客户端断开连接时，服务器会将该线程放回Thread Cache中，以便下次使用。
5. 缓存满： 如果Thread Cache已满，则断开连接的线程会被销毁。

2. 配置参数

以下是与Thread Cache相关的常用配置参数：

• thread_cache_size: 指定Thread Cache的大小，即可以缓存的线程数量。
• thread_handling: 指定线程处理模型。 可以是one-thread-per-connection（每个连接一个线程）或thread-pool (线程池)。

3. 示例

以下示例展示了如何配置Thread Cache的大小：

-- 设置Thread Cache大小为100
SET GLOBAL thread_cache_size = 100;

4. 线程池

除了使用Thread Cache，MySQL还支持使用线程池来管理线程。线程池是一种更高级的线程管理机制，可以更有效地利用系统资源，提高并发处理能力。

线程池的工作原理如下：

1. 线程池创建： 服务器启动时，会创建一个包含多个线程的线程池。
2. 任务分配： 当客户端连接MySQL服务器时，服务器会将客户端的请求作为一个任务提交到线程池中。
3. 线程执行： 线程池中的线程会从任务队列中取出任务，执行客户端的请求。
4. 任务完成： 任务执行完成后，线程会返回到线程池中，等待下一个任务。

5. 线程池的优点

与Thread Cache相比，线程池具有以下优点：

• 更好的资源利用率： 线程池可以更有效地利用系统资源，避免线程创建和销毁的开销。
• 更高的并发处理能力： 线程池可以更好地处理高并发请求，提高系统的吞吐量。
• 更好的可控性： 线程池可以更好地控制线程的数量和行为，避免资源耗尽。

6. 线程池配置

MySQL可以通过安装线程池插件来使用线程池。例如，可以使用thread_pool插件。配置选项包括最大线程数、最小线程数、线程空闲超时时间等。

表格总结

特性	Query Cache (已移除)	Buffer Pool	Thread Cache
作用	缓存查询结果	缓存表数据和索引数据	缓存线程
存储内容	查询语句和结果	数据页	线程对象
适用场景	读多写少	高并发读写	高并发连接
配置参数	query_cache_type, query_cache_size, query_cache_limit	innodb_buffer_pool_size, innodb_buffer_pool_instances	thread_cache_size
淘汰算法	N/A	LRU (或 midpoint insertion)	N/A
优点	减少CPU消耗	减少磁盘I/O	减少线程创建开销
缺点	缓存失效频繁，锁竞争	占用内存	效果有限
MySQL 8.0现状	已移除	核心组件	仍然存在，但重要性降低

如何选择合适的缓存机制

• Buffer Pool： 始终是优化InnoDB存储引擎性能的首选方法。合理配置innodb_buffer_pool_size，并监控其命中率。
• Thread Cache： 适当调整thread_cache_size，但通常不需要过度关注，因为线程池机制更加高效。
• Query Cache： 已经移除，不再考虑。可以使用其他查询优化方法，例如索引优化、SQL语句优化等。

查询缓存的消逝，缓冲池的坚守，线程缓存辅助

Query Cache因为其局限性而被淘汰，Buffer Pool作为核心组件仍然发挥着重要作用，而Thread Cache则在一定程度上缓解了线程创建的开销。合理地配置和使用这些缓存机制，可以显著提高MySQL服务器的性能。