MySQL的InnoDB的change buffer：在写密集型工作负载下的性能影响与参数调优 - 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

MySQL InnoDB Change Buffer：写密集型工作负载下的性能影响与参数调优

大家好，今天我们来深入探讨MySQL InnoDB存储引擎中的一个重要特性：Change Buffer。尤其是在写密集型工作负载下，Change Buffer的作用尤为关键，同时也需要我们精心调优才能发挥其最佳性能。

1. Change Buffer 简介

Change Buffer是InnoDB用于优化非唯一二级索引写入操作的一种机制。当对非唯一二级索引进行修改（INSERT、UPDATE、DELETE）时，如果对应的数据页不在Buffer Pool中，InnoDB不会立即将修改写入磁盘，而是将这些修改缓冲到Change Buffer中。当需要读取这些数据页，或者后台线程定期执行Merge操作时，Change Buffer中的修改才会被合并到实际的数据页中。

简而言之，Change Buffer是一个内存区域（或磁盘区域，如果内存不足），用来缓存对非唯一二级索引页的修改，延迟写入磁盘的操作。

为什么需要Change Buffer？

主要目的是为了减少随机IO，提高写操作的性能。想象一下，如果没有Change Buffer，每次对二级索引的修改都需要从磁盘读取对应的索引页到Buffer Pool，进行修改后再写回磁盘。对于写密集型应用，这会产生大量的随机IO，严重影响性能。

Change Buffer通过将这些随机IO转化为顺序IO（在Merge操作时），从而提高性能。

2. Change Buffer 的工作原理

Change Buffer 的工作流程可以概括为以下几个步骤：

写操作: 当对非唯一二级索引进行写入操作时，InnoDB检查目标索引页是否在Buffer Pool中。
不在Buffer Pool: 如果索引页不在Buffer Pool中，InnoDB会将修改记录（包括INSERT、UPDATE、DELETE操作）写入Change Buffer。
在Buffer Pool: 如果索引页已经在Buffer Pool中，InnoDB会直接在Buffer Pool中进行修改。
Merge操作: 后台线程会定期执行Merge操作，将Change Buffer中的修改合并到实际的索引页中。Merge操作也会在以下情况下触发：
- 系统空闲时
- Buffer Pool空间不足时
- 读取操作需要访问包含Change Buffer记录的索引页时
最终写入磁盘: 合并后的索引页最终会被写入磁盘。

3. Change Buffer 的类型

InnoDB 5.5及更高版本支持两种类型的Change Buffer：

Insert Buffer: 只缓存INSERT操作。在MySQL 5.5和之前的版本中只支持Insert Buffer。
Change Buffer: 缓存INSERT、UPDATE和DELETE操作。从MySQL 5.6开始引入，功能更强大。

我们可以通过 innodb_change_buffering 参数来控制Change Buffer缓存的操作类型。它的取值可以是：

参数值	描述
`all`	缓冲所有类型的DML操作（INSERT、UPDATE、DELETE）。
`none`	不缓冲任何操作。
`inserts`	只缓冲INSERT操作。
`deletes`	只缓冲DELETE操作。
`changes`	缓冲INSERT和DELETE操作。
`purges`	只缓冲物理删除操作（在UPDATE操作中，旧版本数据的删除）。

通常情况下，建议将 innodb_change_buffering 设置为 all，以便充分利用Change Buffer的优势。

4. Change Buffer 的存储位置

Change Buffer的数据存储在系统表空间（System Tablespace）中，这意味着它本质上是在磁盘上。但是，为了提高性能，InnoDB会将一部分Change Buffer数据缓存在Buffer Pool中。

5. Change Buffer 在写密集型工作负载下的性能影响

在写密集型工作负载下，Change Buffer可以显著提高性能，尤其是在以下情况下：

非唯一二级索引较多: 如果表有很多非唯一二级索引，每次写入操作都需要更新这些索引，Change Buffer可以有效地减少随机IO。
索引页不在Buffer Pool中: 如果索引页经常不在Buffer Pool中（例如，Buffer Pool容量不足以容纳所有索引），Change Buffer的作用更加明显。
写入操作的顺序是随机的: 如果写入操作的顺序是随机的，Change Buffer可以有效地将这些随机写入转化为顺序写入。

然而，Change Buffer也存在一些潜在的性能问题：

Merge操作的开销: Merge操作需要读取Change Buffer中的数据，以及实际的索引页，并进行合并。在高并发情况下，Merge操作可能会占用大量的CPU和IO资源。
读取延迟: 当读取操作需要访问包含Change Buffer记录的索引页时，需要先执行Merge操作，这会增加读取延迟。
系统恢复时间: 在系统崩溃恢复时，需要将Change Buffer中的数据合并到实际的索引页中，这会增加系统恢复的时间。

6. Change Buffer 的参数调优

为了充分利用Change Buffer的优势，并避免其潜在的性能问题，我们需要对相关参数进行调优。

innodb_change_buffering: 前面已经介绍过，通常建议设置为 all。
innodb_change_buffer_max_size: 这个参数控制Change Buffer的最大容量，以Buffer Pool的百分比表示。默认值为25，最大值为50。
```
SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_max_size';
```
```
+-------------------------------+-------+
| Variable_name                 | Value |
+-------------------------------+-------+
| innodb_change_buffer_max_size | 25    |
+-------------------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)
```
增加 innodb_change_buffer_max_size 可以提高Change Buffer的容量，从而减少Merge操作的频率。但是，过大的Change Buffer可能会占用过多的Buffer Pool空间，影响其他操作的性能。

如何选择合适的值？

没有一个通用的最佳值，需要根据实际的工作负载进行调整。可以考虑以下因素：
- 写密集程度: 如果写密集程度很高，可以适当增加 innodb_change_buffer_max_size。
- Buffer Pool容量: 确保Buffer Pool有足够的空间来容纳Change Buffer，以及其他数据和索引。
- 监控Merge操作的频率: 如果Merge操作的频率过高，可以考虑增加 innodb_change_buffer_max_size。
一个常用的方法是逐步增加 innodb_change_buffer_max_size，并监控系统的性能指标，直到找到一个最佳值。

例如，将 innodb_change_buffer_max_size 设置为 35：
```
SET GLOBAL innodb_change_buffer_max_size = 35;
```

innodb_change_buffer_chunk_size: 这个参数控制Change Buffer中每个数据块的大小，单位是字节。默认值为 128KB。

SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_chunk_size';

+---------------------------------+--------+
| Variable_name                   | Value  |
+---------------------------------+--------+
| innodb_change_buffer_chunk_size | 131072 |
+---------------------------------+--------+
1 row in set (0.00 sec)

调整 innodb_change_buffer_chunk_size 可以影响Change Buffer的内存分配效率。通常情况下，不需要修改这个参数。

innodb_change_buffer_lru_scan_depth: 这个参数控制InnoDB在清除Change Buffer时扫描的LRU列表的深度。较大的值会导致更多的扫描，从而可能增加CPU使用率，但也有助于更有效地清除陈旧的Change Buffer条目。默认值为256。

innodb_io_capacity: 这个参数控制InnoDB的IO能力，影响Merge操作的速度。如果磁盘IO能力较强，可以适当增加 innodb_io_capacity，从而加快Merge操作的速度。

SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_io_capacity';

+----------------------+-------+
| Variable_name        | Value |
+----------------------+-------+
| innodb_io_capacity | 200   |
+----------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

例如，将 innodb_io_capacity 设置为 400：

SET GLOBAL innodb_io_capacity = 400;

监控Change Buffer的状态: 通过 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令可以查看Change Buffer的状态信息，例如Change Buffer的大小、Merge操作的次数等。
```
SHOW ENGINE INNODB STATUSG
```
在输出中，查找INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX部分。例如：
```
INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX
-------------------------------------
Ibuf: size 1, free list len 0, seg size 2, 0 merges
merged operations:
insert 0, delete mark 0, delete 0
discarded operations:
insert 0, delete mark 0, delete 0
...
```
关注以下指标：
- size: Change Buffer的大小。
- merges: Merge操作的次数。
- merged operations: 已经合并的操作数量。
- discarded operations: 被丢弃的操作数量（通常是因为Change Buffer已满）。
通过监控这些指标，可以了解Change Buffer的使用情况，并根据实际情况进行调优。

7. Change Buffer 的限制

Change Buffer 并非适用于所有情况。它有以下限制：

只适用于非唯一二级索引: Change Buffer只对非唯一二级索引有效。对于唯一索引，InnoDB会立即检查唯一性约束，因此无法使用Change Buffer。
只适用于某些类型的操作: Change Buffer只对INSERT、UPDATE和DELETE操作有效。
可能增加读取延迟: 当读取操作需要访问包含Change Buffer记录的索引页时，需要先执行Merge操作，这会增加读取延迟。
不适用于只读工作负载: 对于只读工作负载，Change Buffer没有任何作用。

8. 关闭 Change Buffer

在某些情况下，关闭Change Buffer可能是有益的。例如：

主要使用唯一索引: 如果表主要使用唯一索引，Change Buffer的作用不大。
读取操作的延迟非常敏感: 如果读取操作的延迟非常敏感，可以考虑关闭Change Buffer，以避免Merge操作带来的延迟。
Buffer Pool容量足够大: 如果Buffer Pool容量足够大，可以容纳所有索引页，Change Buffer的作用也会减小。

可以通过将 innodb_change_buffering 设置为 none 来关闭Change Buffer：

SET GLOBAL innodb_change_buffering = none;

9. 代码示例

以下是一些代码示例，演示如何使用和监控Change Buffer：

-- 查看 innodb_change_buffering 的值
SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffering';

-- 设置 innodb_change_buffering 的值
SET GLOBAL innodb_change_buffering = all;

-- 查看 innodb_change_buffer_max_size 的值
SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_max_size';

-- 设置 innodb_change_buffer_max_size 的值
SET GLOBAL innodb_change_buffer_max_size = 35;

-- 查看 innodb_io_capacity 的值
SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_io_capacity';

-- 设置 innodb_io_capacity 的值
SET GLOBAL innodb_io_capacity = 400;

-- 查看 Change Buffer 的状态
SHOW ENGINE INNODB STATUSG

创建测试表和插入数据

CREATE TABLE test_change_buffer (
    id INT PRIMARY KEY,
    value INT,
    index idx_value (value)
);

-- 插入大量数据
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_data(num_rows INT)
BEGIN
  DECLARE i INT DEFAULT 1;
  WHILE i <= num_rows DO
    INSERT INTO test_change_buffer (id, value) VALUES (i, FLOOR(RAND() * 1000));
    SET i = i + 1;
  END WHILE;
END //
DELIMITER ;

CALL insert_data(100000);

监控 Change Buffer 效果

在插入数据前后，执行 SHOW ENGINE INNODB STATUSG，对比INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX 部分的指标，观察 Change Buffer 的使用情况。

10. 总结：理解和优化 Change Buffer 至关重要

Change Buffer是InnoDB存储引擎中一个强大的特性，可以在写密集型工作负载下显著提高性能。但是，需要根据实际的工作负载进行调优，并监控其状态，才能充分利用其优势，并避免其潜在的性能问题。理解 Change Buffer 的工作原理和参数，对于优化MySQL数据库的性能至关重要。

MySQL InnoDB Change Buffer：写密集型工作负载下的性能影响与参数调优

发表回复 取消回复

发表回复取消回复