发布于 由admin

MySQL的InnoDB的change buffer：在写密集型工作负载下的性能影响，以及如何进行参数调优？

InnoDB Change Buffer：写密集型工作负载下的性能剖析与调优

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的一个关键特性：Change Buffer。特别是在写密集型工作负载下，Change Buffer 的性能影响以及如何进行参数调优。

1. Change Buffer 的基本概念与原理

Change Buffer 是一种特殊的数据结构，位于 InnoDB 的共享缓冲池中。它的主要作用是缓存对非唯一二级索引页的变更操作，例如 INSERT、UPDATE 和 DELETE。为什么要这样做呢？

在 InnoDB 中，数据是按照主键索引组织存储的（聚簇索引）。当更新一条记录时，除了要修改聚簇索引页，还需要修改所有相关的二级索引页。如果二级索引页不在缓冲池中，InnoDB 必须先从磁盘读取这些索引页到缓冲池，然后才能进行修改。这种磁盘 I/O 操作非常耗时。

Change Buffer 的出现就是为了解决这个问题。当需要修改一个不在缓冲池中的二级索引页时，InnoDB 会将这个修改操作记录到 Change Buffer 中，而不是立即从磁盘读取索引页进行修改。这样就避免了大量的随机磁盘 I/O。

稍后，当需要读取包含这些修改的二级索引页时，或者当 InnoDB 认为系统比较空闲时（例如后台合并操作），它会将 Change Buffer 中的修改应用到实际的二级索引页上，这个过程称为 Merge。

2. Change Buffer 的优势与劣势

优势：

  • 减少磁盘 I/O: 这是 Change Buffer 最主要的作用。通过延迟对二级索引页的修改，减少了随机磁盘 I/O，提高了写操作的性能。
  • 提高写吞吐量: 由于减少了 I/O 等待，服务器可以处理更多的写操作，从而提高了写吞吐量。

劣势：

  • 增加读取延迟: 当读取一个包含 Change Buffer 修改的二级索引页时，InnoDB 需要先将 Change Buffer 中的修改应用到索引页上，然后才能返回结果。这会增加读取延迟。
  • 占用缓冲池空间: Change Buffer 位于共享缓冲池中，会占用缓冲池的空间。如果 Change Buffer 占用过多空间，可能会导致其他数据的缓存被淘汰，从而影响整体性能。
  • 增加恢复时间: 在数据库崩溃恢复时，InnoDB 需要将 Change Buffer 中的所有修改应用到二级索引页上。如果 Change Buffer 中积累了大量的修改，恢复时间会很长。

3. 写密集型工作负载下的 Change Buffer 性能影响

在写密集型工作负载下，Change Buffer 的性能影响尤为显著。

  • 正面影响： 如果大部分二级索引页不在缓冲池中，Change Buffer 可以显著减少磁盘 I/O，提高写操作的性能。
  • 负面影响：
    • Merge 操作开销： 如果 Merge 操作过于频繁，例如由于缓冲池空间不足导致 Change Buffer 快速增长，Merge 操作会占用大量的 CPU 和 I/O 资源，反而会降低整体性能。
    • 读取延迟增加： 如果需要频繁读取包含 Change Buffer 修改的二级索引页，读取延迟会明显增加。
    • 恢复时间过长： 大量的写入操作可能会导致 Change Buffer 积累大量的修改，使得数据库崩溃恢复时间变得很长。

4. Change Buffer 相关参数及其调优

MySQL 提供了几个参数来控制 Change Buffer 的行为，我们可以根据实际的工作负载进行调整。

  • innodb_change_buffer_max_size: 该参数控制 Change Buffer 最大可以占用的缓冲池比例。默认值为 25%，可以设置为 0 到 50 之间的整数。

    • 调优建议：
      • 如果写操作非常频繁，并且二级索引页很少被读取，可以适当增加 innodb_change_buffer_max_size 的值，例如 50%。
      • 如果读取操作也很频繁，或者缓冲池空间比较紧张，可以适当降低 innodb_change_buffer_max_size 的值，例如 10% 或 0。
      • 如果设置为 0，则禁用 Change Buffer。
    -- 查看当前值
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_max_size';

-- 修改为 30%
SET GLOBAL innodb_change_buffer_max_size = 30;

  • innodb_change_buffer_master_thread_rollover: 该参数控制 Change Buffer 合并线程的合并频率。当 Change Buffer 中的修改数量超过该值时，合并线程会被唤醒。默认值为 128。

    • 调优建议：
      • 如果 Change Buffer 增长速度过快，导致 Merge 操作过于频繁，可以适当增加该值，例如 256 或 512。
      • 如果 Change Buffer 增长速度较慢，可以适当降低该值，例如 64。
      • 需要注意的是，增加该值会延迟 Merge 操作，可能会导致读取延迟增加。
    -- 查看当前值
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_master_thread_rollover';

-- 修改为 256
SET GLOBAL innodb_change_buffer_master_thread_rollover = 256;

  • innodb_change_buffering: 该参数控制哪些类型的操作可以使用 Change Buffer。可以设置为以下值：

    • all: 默认值，所有类型的操作都允许使用 Change Buffer。

    • none: 禁止所有类型的操作使用 Change Buffer。

    • inserts: 仅允许 INSERT 操作使用 Change Buffer。

    • deletes: 仅允许 DELETE 操作使用 Change Buffer。

    • changes: 仅允许 INSERT 和 DELETE 操作使用 Change Buffer。

    • purges: 允许后台 purge 操作使用 Change Buffer。

    • 调优建议：

      • 如果只需要优化 INSERT 操作的性能，可以将该值设置为 inserts。
      • 如果数据库中没有二级索引，可以将该值设置为 none，禁用 Change Buffer。
    -- 查看当前值
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffering';

-- 修改为仅允许 INSERT 操作使用 Change Buffer
SET GLOBAL innodb_change_buffering = inserts;

  • innodb_adaptive_hash_index: 虽然不是直接控制 Change Buffer 的参数，但自适应哈希索引 (AHI) 也会影响 Change Buffer 的性能。AHI 旨在加速频繁访问的索引页的查找。

    • 调优建议：
      • 在某些情况下，禁用 AHI 可以减少 CPU 消耗，从而减轻 Merge 操作的压力。 但这通常不是首选方法，因为 AHI 通常能提高查询性能。
    -- 查看当前值
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_adaptive_hash_index';

-- 禁用 AHI (谨慎使用，通常不推荐)
SET GLOBAL innodb_adaptive_hash_index = OFF;

5. Change Buffer 的监控与诊断

为了更好地了解 Change Buffer 的性能，我们需要对其进行监控。MySQL 提供了多种方式来监控 Change Buffer 的状态。

  • SHOW ENGINE INNODB STATUS: 该命令可以显示 InnoDB 的详细状态信息，包括 Change Buffer 的状态。

    SHOW ENGINE INNODB STATUSG

    在输出结果中，可以找到 Change Buffer 的相关信息：

    -------------------------------------
INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX
-------------------------------------
Ibuf: size 1, free list len 4281, seg size 4282, 1035 merges
merged operations:
 insert 1102, delete mark 0, delete 33
discarded operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
...
    • Ibuf: size: Change Buffer 当前占用的页数。
    • free list len: Change Buffer 中空闲页的数量。
    • merges: Change Buffer 合并操作的次数。
    • merged operations: 各种类型的操作被合并到二级索引页的次数。
    • discarded operations: 由于某些原因被丢弃的操作次数。

  • Performance Schema: Performance Schema 提供了更细粒度的 Change Buffer 监控信息。

    例如，可以使用以下查询来查看 Change Buffer 的 I/O 活动：

    SELECT
    event_name,
    COUNT(*) AS count,
    SUM(timer_wait) AS total_latency,
    AVG(timer_wait) AS avg_latency
FROM performance_schema.events_stages_summary_global_by_event_name
WHERE event_name LIKE 'stage/innodb/change buffer%'
GROUP BY event_name
ORDER BY total_latency DESC;

6. Change Buffer 的适用场景与限制

适用场景：

  • 写密集型工作负载： Change Buffer 最适合写密集型工作负载，特别是当大部分二级索引页不在缓冲池中时。
  • 非唯一二级索引： Change Buffer 只能用于非唯一二级索引。对于唯一二级索引，InnoDB 必须立即检查索引的唯一性，因此无法使用 Change Buffer。
  • 延迟写入： Change Buffer 允许延迟写入，这在某些场景下可以提高性能。

限制：

  • 读取延迟： Change Buffer 会增加读取延迟，因此不适合对读取延迟要求非常高的应用。
  • 缓冲池空间： Change Buffer 会占用缓冲池空间，如果缓冲池空间有限，可能会影响其他数据的缓存。
  • 恢复时间： Change Buffer 会增加数据库崩溃恢复时间。
  • 唯一索引: 不能用于唯一二级索引.

7. 案例分析

假设我们有一个在线购物网站，商品信息存储在 products 表中，包含以下字段：

  • product_id (INT, PRIMARY KEY)
  • product_name (VARCHAR(255))
  • category_id (INT)
  • price (DECIMAL(10, 2))
  • description (TEXT)

我们经常需要根据 category_id 查询商品，因此我们创建了一个二级索引：

CREATE INDEX idx_category_id ON products (category_id);

现在，我们面临一个写密集型的工作负载：每天都有大量的商品信息被更新，包括价格、描述等。由于 category_id 索引的存在，每次更新操作都需要修改二级索引页。

场景 1：Change Buffer 禁用

如果禁用 Change Buffer (innodb_change_buffering = none)，每次更新操作都需要立即修改二级索引页，这会导致大量的随机磁盘 I/O，从而降低写操作的性能。

场景 2：Change Buffer 启用，但参数未调优

如果启用 Change Buffer，但参数未进行调优，可能会出现以下问题：

  • Change Buffer 增长过快： 如果 innodb_change_buffer_max_size 设置过大，Change Buffer 可能会占用过多的缓冲池空间，导致其他数据的缓存被淘汰。
  • Merge 操作过于频繁： 如果 innodb_change_buffer_master_thread_rollover 设置过小，Merge 操作会过于频繁，占用大量的 CPU 和 I/O 资源。

场景 3：Change Buffer 启用，参数调优

通过监控 Change Buffer 的状态，并根据实际的工作负载调整相关参数，可以有效地提高写操作的性能。

例如，我们可以将 innodb_change_buffer_max_size 设置为 30%，并将 innodb_change_buffer_master_thread_rollover 设置为 256。

8. 代码示例：模拟写密集型工作负载

以下代码示例模拟了写密集型工作负载，可以用来测试 Change Buffer 的性能影响。

import mysql.connector
import time
import random

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

# 创建连接
cnx = mysql.connector.connect(**config)
cursor = cnx.cursor()

# 表名
table_name = 'products'

# 模拟更新操作
def update_product(product_id):
    try:
        price = round(random.uniform(10, 100), 2)
        description = 'Updated description for product ' + str(product_id) + ' at ' + time.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
        query = "UPDATE {} SET price = %s, description = %s WHERE product_id = %s".format(table_name)
        cursor.execute(query, (price, description, product_id))
        cnx.commit()
        #print("Product {} updated successfully.".format(product_id))
    except mysql.connector.Error as err:
        print("Error updating product {}: {}".format(product_id, err))
        cnx.rollback()

# 模拟批量更新
def batch_update_products(num_updates):
    start_time = time.time()
    for i in range(num_updates):
        product_id = random.randint(1, 1000) # 假设有 1000 个产品
        update_product(product_id)
    end_time = time.time()
    duration = end_time - start_time
    print("Updated {} products in {} seconds.  Updates per second: {}".format(num_updates, duration, num_updates/duration))

# 主函数
if __name__ == '__main__':
    num_updates = 10000  # 更新数量
    batch_update_products(num_updates)

# 关闭连接
cursor.close()
cnx.close()

在使用此脚本之前，请确保：

  1. 替换 your_user, your_password, your_host, your_database 为你的实际数据库连接信息。
  2. 确保 products 表存在，并且包含 product_id, price, description, category_id 字段，并且 idx_category_id 索引存在。
  3. 运行该脚本前，记录当前的 SHOW ENGINE INNODB STATUSG 的输出，运行脚本后，再次记录，对比 Change Buffer 相关的指标。

9. 其他注意事项

  • 硬件配置： 硬件配置对 Change Buffer 的性能也有很大的影响。更快的 CPU、更大的内存和更快的磁盘可以提高 Change Buffer 的性能。
  • 数据库版本： 不同版本的 MySQL 对 Change Buffer 的实现可能有所不同。建议使用最新版本的 MySQL，以获得更好的性能。
  • 监控与分析： 持续监控 Change Buffer 的状态，并根据实际的工作负载进行分析，是进行 Change Buffer 调优的关键。
  • 系统负载: 除了数据库本身的负载，其他系统进程也会影响 Change Buffer 的性能.

Change Buffer 参数对写密集型工作负载的影响

参数 影响 调优方向
innodb_change_buffer_max_size 控制 Change Buffer 占用的缓冲池比例。 过小会导致频繁的Merge操作，过大可能挤占其他数据的缓冲池空间。 写多读少，可适当增大；读写均衡，或缓冲池紧张，可适当减小。 禁用Change Buffer (innodb_change_buffering = none) 适用于没有二级索引或者二级索引几乎不被修改的情况。
innodb_change_buffer_master_thread_rollover 控制 Merge 线程的合并频率。 过小会导致 Merge 操作过于频繁，占用 CPU 和 I/O 资源。 Change Buffer 增长过快，Merge 操作频繁，可适当增大；Change Buffer 增长缓慢，可适当减小。
innodb_change_buffering 控制哪些类型的操作可以使用 Change Buffer。 根据实际需求选择。 例如，只优化 INSERT 操作，设置为 inserts；没有二级索引，禁用 Change Buffer (none)。

结论： 理解与应用

Change Buffer 是 InnoDB 中一个强大的特性，可以显著提高写密集型工作负载的性能。但是，不合理的配置和使用可能会导致性能问题。因此，我们需要深入理解 Change Buffer 的原理、监控其状态，并根据实际的工作负载进行调优。 通过合理的配置，我们可以充分利用 Change Buffer 的优势，提高数据库的整体性能。

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注