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

InnoDB Change Buffer：写密集型工作负载下的性能影响与调优

大家好，今天我们来深入探讨MySQL InnoDB存储引擎中的一个关键组件：Change Buffer。它在写密集型工作负载下扮演着重要的角色，理解其工作原理、性能影响以及如何进行参数调优，对于优化数据库性能至关重要。

1. Change Buffer 的基本概念

Change Buffer，也被称为插入缓冲区，是InnoDB存储引擎用于优化非唯一二级索引写操作的一项技术。当数据库接收到一个对非唯一二级索引的写操作（插入、更新、删除）时，如果相应的数据页不在Buffer Pool中，InnoDB不会立即将这些变更写入磁盘，而是先将这些变更信息缓存到Change Buffer中。

换句话说，Change Buffer本质上是一个位于共享InnoDB系统表空间中的特殊数据结构，用于缓冲对非唯一二级索引的写操作。

为什么要引入Change Buffer？

主要原因是减少随机磁盘I/O。对二级索引的写操作通常是随机的，如果每次写操作都直接落盘，会产生大量的随机I/O，严重影响数据库性能。Change Buffer的存在可以将这些随机写操作合并、延迟，并在后续合适的时机（例如，读取该数据页时，或后台线程空闲时）再将这些变更合并应用到实际的数据页上，这个过程称为“Merge”。

2. Change Buffer 的工作流程

以下是Change Buffer工作流程的简化描述：

写操作接收： 数据库接收到一个针对非唯一二级索引的写操作。
检查数据页： InnoDB检查目标数据页是否已经在Buffer Pool中。
Buffer Pool命中： 如果数据页在Buffer Pool中，则直接在Buffer Pool中修改数据页，并标记为脏页，后续由Checkpoint线程刷新到磁盘。
Buffer Pool未命中： 如果数据页不在Buffer Pool中，则将写操作的信息（包括操作类型、索引键值等）写入Change Buffer。
Merge 操作： 在以下情况下，Change Buffer中的变更会被合并应用到实际的数据页上：
- 读取数据页时： 当读取包含Change Buffer中变更的数据页时，InnoDB会先将Change Buffer中的变更应用到该数据页，然后再将该数据页返回给用户。
- 后台线程合并： InnoDB后台线程会定期扫描Change Buffer，并将其中的变更合并应用到磁盘上的数据页。
- 数据库关闭或重启： 在数据库关闭或重启时，InnoDB会强制将Change Buffer中的所有变更合并应用到磁盘上的数据页。
数据页加载/创建： 合并后，数据页被加载到Buffer Pool中（如果之前不在），或者如果数据页不存在，则会被创建。

3. Change Buffer 的优点与缺点

优点：

减少随机I/O： 将随机写操作转换为顺序写操作，提高写性能，尤其是在写密集型工作负载下。
提高吞吐量： 通过延迟写操作，可以提高数据库的吞吐量。
减少磁盘压力： 减少了对磁盘的频繁访问，延长了磁盘寿命。

缺点：

增加读取延迟： 在读取包含Change Buffer中变更的数据页时，需要先进行Merge操作，这会增加读取延迟。
占用内存空间： Change Buffer需要占用一定的内存空间，这会减少Buffer Pool的可用空间。
恢复时间： 数据库崩溃或重启时，需要将Change Buffer中的所有变更合并应用到磁盘上的数据页，这会增加恢复时间。

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	取值范围
`innodb_change_buffer_max_size`	用于控制Change Buffer最大使用Buffer Pool的百分比。	25	0-50
`innodb_change_buffering`	用于控制Change Buffer缓冲的操作类型。	`all`	`all`, `none`, `inserts`, `deletes`, `changes`, `purges`
`innodb_change_buffer_master_thread_activity`	控制 Change Buffer Master Thread 活动的百分比。该线程负责将 Change Buffer 中的数据合并到磁盘。	10	0-100

参数详解：

innodb_change_buffer_max_size： 这个参数控制Change Buffer可以使用的Buffer Pool的最大百分比。例如，如果innodb_change_buffer_max_size设置为25，并且Buffer Pool的大小为10GB，那么Change Buffer最多可以使用2.5GB的内存。需要注意的是，实际使用量可能会小于配置值，具体取决于工作负载。如果你的系统主要是读取密集型，可以将这个值设置的小一些，例如10或者更小，以便将更多的内存分配给Buffer Pool。如果系统主要是写入密集型，可以适当增加这个值，例如30或者40，但不要超过50，否则可能会影响读取性能。
innodb_change_buffering： 这个参数控制Change Buffer可以缓冲哪些类型的操作。取值如下：
- all：缓冲所有支持的操作（inserts, deletes, changes, purges）。
- none：不缓冲任何操作。
- inserts：只缓冲插入操作。
- deletes：只缓冲删除操作。
- changes：只缓冲插入和删除操作。
- purges：只缓冲purge操作（用于回收被删除的记录）。
  通常情况下，使用默认值all即可。但是在某些特殊场景下，可能需要根据实际情况进行调整。例如，如果你的系统主要是插入操作，可以将innodb_change_buffering设置为inserts，以减少Change Buffer的开销。
innodb_change_buffer_master_thread_activity: 这个参数控制 Change Buffer Master Thread 的活动百分比。该线程负责将 Change Buffer 中的数据合并到磁盘。较高的值意味着更频繁的合并操作，这可以减少读取延迟，但会增加 CPU 和 I/O 负载。较低的值意味着更少的合并操作，这可以提高写入性能，但会增加读取延迟。默认值为 10，这意味着该线程最多会使用 10% 的 CPU 时间。可以根据实际情况进行调整，例如，如果你的系统主要是读取密集型，可以适当增加这个值，例如 20 或 30。如果系统主要是写入密集型，可以适当降低这个值，例如 5 或更小。

如何修改这些参数？

可以通过以下方式修改这些参数：

MySQL配置文件： 在MySQL的配置文件（例如my.cnf或my.ini）中添加或修改相应的参数。修改后需要重启MySQL服务才能生效。
例如：
```
[mysqld]
innodb_change_buffer_max_size = 30
innodb_change_buffering = all
innodb_change_buffer_master_thread_activity = 15
```
动态修改： 可以使用SET GLOBAL语句在运行时动态修改这些参数。修改后立即生效，但重启MySQL服务后会失效。
例如：
```
SET GLOBAL innodb_change_buffer_max_size = 30;
SET GLOBAL innodb_change_buffering = all;
SET GLOBAL innodb_change_buffer_master_thread_activity = 15;
```

5. Change Buffer 的监控

了解Change Buffer的使用情况对于优化数据库性能至关重要。MySQL提供了一些监控指标来帮助你了解Change Buffer的运行状况。

INFORMATION_SCHEMA.INNODB_METRICS 表： 可以通过查询INFORMATION_SCHEMA.INNODB_METRICS表来获取Change Buffer的各种统计信息。

以下是一些常用的监控指标：

指标名称	描述
`change_buffer_inserts`	Change Buffer中插入的记录数。
`change_buffer_deletes`	Change Buffer中删除的记录数。
`change_buffer_changes`	Change Buffer中更新的记录数。
`change_buffer_merges`	Change Buffer中合并的记录数。
`change_buffer_pages_written`	Change Buffer写入的页数。
`change_buffer_pages_read`	Change Buffer读取的页数。
`change_buffer_size`	Change Buffer当前使用的内存大小。
`change_buffer_max_size`	Change Buffer配置的最大内存大小。

例如，可以使用以下SQL语句查询Change Buffer的统计信息：

SELECT NAME, COUNT, COMMENT FROM INFORMATION_SCHEMA.INNODB_METRICS WHERE NAME LIKE 'change_buffer%' AND subsystem='innodb';

SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令： 可以使用SHOW ENGINE INNODB STATUS命令查看InnoDB的详细状态信息，其中包括Change Buffer的相关信息。在输出结果中，可以找到INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX部分，其中包含了Change Buffer的统计信息。

6. Change Buffer 的使用场景与调优策略

Change Buffer并非适用于所有场景。在以下情况下，Change Buffer可以显著提高性能：

写密集型工作负载： 数据库主要执行大量的写操作，例如插入、更新、删除。
非唯一二级索引： 写操作主要针对非唯一二级索引。
数据页不在Buffer Pool中： 大部分写操作的目标数据页不在Buffer Pool中。

在以下情况下，Change Buffer可能不会带来明显的性能提升，甚至可能降低性能：

读密集型工作负载： 数据库主要执行大量的读操作。
唯一索引： 写操作主要针对唯一索引。
数据页已经在Buffer Pool中： 大部分写操作的目标数据页已经在Buffer Pool中。
频繁的Merge操作： 频繁的Merge操作会增加读取延迟，降低性能。

调优策略：

监控Change Buffer的使用情况： 首先需要监控Change Buffer的使用情况，了解其性能瓶颈。可以使用INFORMATION_SCHEMA.INNODB_METRICS表或SHOW ENGINE INNODB STATUS命令来获取Change Buffer的统计信息。
调整innodb_change_buffer_max_size： 根据Change Buffer的使用情况，调整innodb_change_buffer_max_size参数。如果Change Buffer的使用率较高，可以适当增加该值。如果Change Buffer的使用率较低，可以适当降低该值。
调整innodb_change_buffering： 根据实际的写操作类型，调整innodb_change_buffering参数。如果系统主要是插入操作，可以将innodb_change_buffering设置为inserts。
评估Merge操作的频率： 如果发现Merge操作过于频繁，可以考虑调整innodb_change_buffer_master_thread_activity，降低合并频率。
考虑使用SSD： 使用SSD可以显著提高磁盘I/O性能，从而降低Change Buffer的Merge操作对性能的影响。
避免在业务高峰期执行DDL操作： DDL操作（例如创建索引、修改表结构）可能会导致Change Buffer中的大量变更需要合并应用到磁盘，这会严重影响数据库性能。因此，应该避免在业务高峰期执行DDL操作。

7. 代码示例

以下是一些代码示例，演示如何使用Change Buffer：

示例1：创建包含非唯一二级索引的表

CREATE TABLE `test_table` (
  `id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` VARCHAR(255) NOT NULL,
  `age` INT NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  INDEX `idx_name` (`name`) -- 非唯一二级索引
) ENGINE=InnoDB;

示例2：插入大量数据

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_data(IN num_rows INT)
BEGIN
  DECLARE i INT DEFAULT 1;
  WHILE i <= num_rows DO
    INSERT INTO `test_table` (`name`, `age`) VALUES (CONCAT('name', i), i);
    SET i = i + 1;
  END WHILE;
END //
DELIMITER ;

CALL insert_data(100000); -- 插入10万条数据

示例3：查询数据

SELECT * FROM `test_table` WHERE `name` = 'name50000';

示例4：监控Change Buffer的使用情况

SELECT NAME, COUNT, COMMENT FROM INFORMATION_SCHEMA.INNODB_METRICS WHERE NAME LIKE 'change_buffer%' AND subsystem='innodb';

8. 真实案例分析

假设我们有一个电商平台的订单系统，该系统需要处理大量的订单创建、更新和删除操作。订单表包含一个非唯一二级索引idx_order_status，用于查询特定状态的订单。

问题： 在业务高峰期，订单系统的写性能明显下降，导致用户体验变差。

分析： 通过监控发现，Change Buffer的使用率非常高，并且Merge操作频繁发生。

解决方案：

增加innodb_change_buffer_max_size： 将innodb_change_buffer_max_size从默认值25增加到40，以便Change Buffer可以使用更多的内存空间。
使用SSD： 将订单表的数据存储在SSD上，以提高磁盘I/O性能。
优化SQL语句： 检查SQL语句，避免不必要的索引扫描。
避免在业务高峰期执行DDL操作： 将DDL操作安排在业务低峰期执行。

结果： 经过以上优化，订单系统的写性能得到了显著提升，用户体验得到了改善。

9. Change Buffer 使用的限制

虽然 Change Buffer 在很多情况下可以提高性能，但也存在一些限制：

只适用于非唯一二级索引： Change Buffer 只能用于优化对非唯一二级索引的写操作。对于唯一索引，InnoDB 必须立即检查唯一性约束，因此无法使用 Change Buffer。
不适用于系统表： Change Buffer 不适用于系统表。
可能导致读取延迟增加： 如前所述，在读取包含 Change Buffer 中变更的数据页时，需要先进行 Merge 操作，这会增加读取延迟。因此，需要根据实际情况进行权衡。
在某些情况下可能无效： 如果大部分写操作的目标数据页已经在 Buffer Pool 中，或者 Merge 操作过于频繁， Change Buffer 可能不会带来明显的性能提升，甚至可能降低性能。

总结：理解 Change Buffer 的特性，优化写密集型工作负载

Change Buffer 是 InnoDB 存储引擎中一个重要的组成部分，它通过延迟对非唯一二级索引的写操作，减少随机 I/O，从而提高写性能。然而，Change Buffer 也存在一些缺点，例如增加读取延迟、占用内存空间等。因此，需要根据实际情况，合理配置 Change Buffer 的参数，并监控其使用情况，才能充分发挥其优势，避免其劣势。理解 Change Buffer 的工作原理和特性，并结合实际应用场景进行调优，是优化 MySQL 数据库性能的关键。

InnoDB Change Buffer：写密集型工作负载下的性能影响与调优

发表回复 取消回复

发表回复取消回复