MySQL的InnoDB的change buffer：如何利用它提高DML操作的性能，并处理辅助索引（Secondary Index）的写入？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

InnoDB Change Buffer: 解锁非唯一二级索引写入的性能密码

大家好，今天我们来聊聊MySQL InnoDB存储引擎中的一个重要特性：Change Buffer。它对于理解InnoDB的性能优化至关重要，尤其是在处理涉及非唯一二级索引的DML操作时。

1. 什么是Change Buffer？

在InnoDB中，Change Buffer是一个特殊的存储区域，用于缓存对非唯一二级索引页的更改。为什么只针对非唯一索引？因为对于唯一索引，任何修改都必须立即检查唯一性约束，这需要同步读取索引页，也就失去了异步写入的意义。

想象一下，你的应用程序需要频繁地更新一个包含多个二级索引的表。如果没有Change Buffer，每次更新操作都需要立即读取对应的索引页，然后进行修改，这会产生大量的随机I/O，严重影响性能。特别是当这些索引页不在Buffer Pool（InnoDB用于缓存数据和索引页的内存区域）中时，性能瓶颈会更加明显。

Change Buffer本质上是一种延迟写入策略。它将对非唯一二级索引页的修改操作先缓存在Change Buffer中，而不是立即写入磁盘。当需要读取这些索引页时（例如，通过SELECT语句访问），或者在后台线程空闲时，InnoDB会将Change Buffer中的修改合并（merge）到实际的索引页上，这个过程被称为“purge”。

2. Change Buffer的工作原理

Change Buffer的工作流程大致如下：

DML操作： 当执行INSERT、UPDATE或DELETE操作，且涉及非唯一二级索引的修改时，InnoDB首先检查相关的索引页是否在Buffer Pool中。
Buffer Pool命中： 如果索引页在Buffer Pool中，则直接进行修改。
Buffer Pool未命中： 如果索引页不在Buffer Pool中，则将修改操作写入Change Buffer。
Merge (Purge)： 当满足以下条件之一时，Change Buffer中的修改会被合并到实际的索引页：
- 读取操作： 当需要读取包含Change Buffer记录的索引页时，InnoDB会先将Change Buffer中的修改合并到索引页，然后再提供数据。
- 后台线程： InnoDB的后台线程会定期扫描Change Buffer，并将修改合并到磁盘上的索引页。
- 数据库关闭： 在数据库关闭时，InnoDB会将Change Buffer中的所有修改合并到磁盘。
- Change Buffer 达到阈值: 当Change Buffer使用的空间超过一定的阈值，InnoDB也会触发Merge操作。

这个过程可以用如下流程图表示：

graph LR
A[DML 操作 (INSERT/UPDATE/DELETE)] --> B{非唯一二级索引修改?};
B -- 是 --> C{索引页在 Buffer Pool 中?};
C -- 是 --> D[直接修改 Buffer Pool 中的索引页];
C -- 否 --> E[将修改写入 Change Buffer];
E --> F{满足 Merge 条件?};
F -- 是 --> G[Merge Change Buffer 到索引页 (purge)];
F -- 否 --> wait;
G --> H[索引页更新];
D --> H;
H --> I[操作完成];

3. Change Buffer的优势与劣势

优势：

减少随机I/O： 通过将对索引页的修改缓存起来，减少了直接写入磁盘的次数，降低了I/O压力。
提高DML性能： 特别是在写入密集型的场景下，可以显著提高DML操作的性能。
延迟写入： 将对索引页的修改延迟到后台线程或读取操作时进行，避免了频繁的同步写入。

劣势：

增加复杂性： Change Buffer增加了InnoDB的复杂性，需要额外的管理和维护。
占用额外空间： Change Buffer需要占用一定的磁盘空间，虽然通常不大，但仍然需要考虑。
Merge开销： Merge操作本身也需要消耗一定的资源，尤其是在高并发场景下，可能会影响性能。
恢复时间增加： 如果在Merge操作未完成时发生崩溃，数据库恢复时间会增加，因为需要重做Change Buffer中的修改。

4. Change Buffer的配置参数

InnoDB提供了一些配置参数来控制Change Buffer的行为：

参数名称	描述	默认值
`innodb_change_buffer_max_size`	用于控制Change Buffer的最大大小，以Buffer Pool大小的百分比表示。例如，设置为25表示Change Buffer最多可以使用Buffer Pool的25%。	25
`innodb_change_buffer_on_off`	用于启用或禁用Change Buffer。可以设置为`ON`、`OFF`、`inserts`、`marks`、`deletes`、`changes`、`all`。分别对应启用所有Change Buffer操作，禁用Change Buffer，仅启用INSERT操作，仅启用标记删除操作，仅启用DELETE操作，仅启用INSERT/DELETE/UPDATE操作，启用所有支持的操作。	ON
`innodb_change_buffering`	这个参数已经被`innodb_change_buffer_on_off`取代，不建议使用。	`all`
`innodb_purge_batch_size`	控制一次Purge操作处理的Change Buffer条目数量。较大的值可以提高Purge效率，但也可能导致锁竞争。	300
`innodb_change_buffer_status_frequency`	控制InnoDB多久输出关于Change Buffer状态的信息到错误日志。	60

可以使用以下SQL语句来查看和修改这些参数：

-- 查看参数
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer%';

-- 修改参数 (需要SUPER权限)
SET GLOBAL innodb_change_buffer_max_size = 50;

示例:

假设我们有一个名为users的表，包含一个非唯一索引idx_email：

CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(255),
    email VARCHAR(255),
    INDEX idx_email (email)
);

-- 插入一些数据
INSERT INTO users (name, email) VALUES
('Alice', '[email protected]'),
('Bob', '[email protected]'),
('Charlie', '[email protected]');

现在，如果我们执行大量的更新操作，例如：

UPDATE users SET name = 'New Name' WHERE email LIKE '%@example.com';

如果没有Change Buffer，每次更新操作都需要读取idx_email索引页，这会产生大量的I/O。但是，如果启用了Change Buffer，InnoDB会将这些更新操作缓存在Change Buffer中，并在后台或读取操作时进行合并，从而提高性能。

5. Change Buffer的适用场景

Change Buffer在以下场景中特别有用：

写入密集型应用： 应用需要频繁地进行INSERT、UPDATE或DELETE操作。
非唯一二级索引： 表包含大量的非唯一二级索引。
I/O瓶颈： 数据库的I/O性能是瓶颈。
延迟写入可接受： 应用程序可以容忍一定的延迟写入。

相反，在以下场景中，Change Buffer可能并不适用：

读取密集型应用： 应用主要进行SELECT操作，很少进行DML操作。
唯一二级索引： 表主要包含唯一二级索引。
高并发更新： 大量并发的更新操作可能会导致Merge操作的竞争。
实时性要求高： 应用程序对数据的实时性要求非常高，不能容忍任何延迟写入。

6. Change Buffer的监控与诊断

监控Change Buffer的状态对于了解其性能影响至关重要。可以使用以下方法来监控Change Buffer：

SHOW ENGINE INNODB STATUS： 这个命令会显示关于InnoDB引擎的详细信息，包括Change Buffer的状态。
Performance Schema： Performance Schema提供了关于Change Buffer操作的更详细的统计信息。可以使用以下查询来获取Change Buffer的统计信息：

SELECT
    NAME,
    SUM(COUNT) AS total_count,
    SUM(SUM_TIMER_WAIT) AS total_latency,
    SUM(COUNT) / SUM(SUM_TIMER_WAIT) AS average_ops_per_ns
FROM performance_schema.events_statements_summary_by_event_name
WHERE EVENT_NAME LIKE 'wait/io/table/sql/handler%'
AND OBJECT_NAME = 'your_table_name' -- 替换为你的表名
GROUP BY NAME
ORDER BY total_latency DESC;

SELECT * FROM performance_schema.memory_summary_global_by_event_name WHERE event_name LIKE 'memory/innodb/change_buffer%';

错误日志： InnoDB会将关于Change Buffer的警告和错误信息写入错误日志。

通过监控这些信息，可以了解Change Buffer的使用情况，并根据实际情况调整配置参数。

7. Change Buffer使用示例

下面通过一个例子，来模拟Change Buffer带来的性能提升。

首先，创建一个测试表，包含一个非唯一二级索引：

DROP TABLE IF EXISTS `test_change_buffer`;
CREATE TABLE `test_change_buffer` (
  `id` bigint unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '',
  `email` varchar(255) NOT NULL DEFAULT '',
  `create_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
  `update_time` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `idx_email` (`email`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci;

然后，插入大量数据：

import mysql.connector
import time

# 数据库连接信息
config = {
    'user': 'your_user',
    'password': 'your_password',
    'host': 'localhost',
    'database': 'your_database',
    'raise_on_warnings': True
}

# 插入数据量
batch_size = 1000
total_inserts = 100000

try:
    cnx = mysql.connector.connect(**config)
    cursor = cnx.cursor()

    start_time = time.time()
    for i in range(total_inserts // batch_size):
        data = []
        for j in range(batch_size):
            name = f'Test Name {i * batch_size + j}'
            email = f'test{i * batch_size + j}@example.com'
            data.append((name, email))

        sql = "INSERT INTO test_change_buffer (name, email) VALUES (%s, %s)"
        cursor.executemany(sql, data)
        cnx.commit()
        print(f"Inserted batch {i+1}/{total_inserts // batch_size}")

    end_time = time.time()
    print(f"Total time taken: {end_time - start_time} seconds")

except mysql.connector.Error as err:
    print(f"Error: {err}")
finally:
    if cnx:
        cursor.close()
        cnx.close()

在插入数据之前，先禁用Change Buffer，记录插入时间，然后启用Change Buffer，再次记录插入时间，对比两次的时间差异。

-- 禁用 Change Buffer
SET GLOBAL innodb_change_buffer_on_off = OFF;

-- 启用 Change Buffer
SET GLOBAL innodb_change_buffer_on_off = ON;

通过对比可以发现，启用Change Buffer后，插入速度会有明显的提升，尤其是在Buffer Pool无法完全容纳索引页的情况下。

注意： 这个例子只是一个简单的演示，实际的性能提升会受到多种因素的影响，例如硬件配置、数据分布、并发量等。

8. Change Buffer与Buffer Pool的交互

Change Buffer和Buffer Pool是InnoDB中两个重要的缓存机制。它们之间的交互如下：

数据修改： 当需要修改一个索引页时，InnoDB首先检查该页是否在Buffer Pool中。如果在，则直接修改Buffer Pool中的页。如果不在，则将修改操作写入Change Buffer。
数据读取： 当需要读取一个索引页时，InnoDB首先检查该页是否在Buffer Pool中。如果在，则直接从Buffer Pool中读取。如果不在，则首先检查Change Buffer中是否有关于该页的修改记录。如果有，则将Change Buffer中的修改合并到该页，然后将该页加载到Buffer Pool中，并提供数据。
Purge操作： 后台线程会定期扫描Change Buffer，并将修改合并到磁盘上的索引页。在Purge操作期间，如果索引页已经在Buffer Pool中，则直接修改Buffer Pool中的页。如果不在，则将索引页加载到Buffer Pool中，然后进行修改。

Change Buffer和Buffer Pool的协调工作，可以有效地减少磁盘I/O，提高数据库的性能。

9. Change Buffer的局限性与替代方案

虽然Change Buffer可以提高DML操作的性能，但它也存在一些局限性。例如，在高并发更新场景下，Merge操作可能会导致锁竞争。此外，Change Buffer还会增加数据库的复杂性，需要额外的管理和维护。

对于这些局限性，可以考虑以下替代方案：

优化SQL语句： 尽量避免全表扫描，使用索引来加速查询。
调整Buffer Pool大小： 增加Buffer Pool的大小，可以减少磁盘I/O。
使用SSD： 使用固态硬盘可以显著提高I/O性能。
分区表： 将大表分成多个小表，可以降低锁竞争。
使用更好的硬件： 更快的CPU，更大的内存，更快的磁盘都可以提升数据库的性能

一些关于性能提升的建议

Change Buffer是InnoDB存储引擎的一个强大特性，可以显著提高非唯一二级索引的写入性能。但是，要充分利用Change Buffer，需要了解其工作原理、配置参数和适用场景。同时，还需要监控Change Buffer的状态，并根据实际情况进行调整。在选择是否启用Change Buffer时，需要权衡其优势和劣势，并结合具体的应用场景进行考虑。

选择合适的配置

选择合适的 innodb_change_buffer_max_size 值至关重要。过小的值可能无法充分利用 Change Buffer 的优势，而过大的值可能会占用过多的 Buffer Pool 空间，影响其他操作的性能。通常建议从默认值 25% 开始，然后根据监控数据逐步调整。

最后的想法

通过理解Change Buffer的工作原理，合理配置参数，并在合适的场景下使用它，可以显著提高InnoDB数据库的性能。记住，没有银弹，只有根据实际情况进行权衡和优化，才能达到最佳效果。