MySQL内存模型与相关技术

MySQL实例的大概结构如下

如上图所示，InnoDB的存储引擎右多个内存块

维护所有进程/线程需要访问多个内部数据结构
缓存磁盘上的数据，方便快速读取，且修改的数据缓存在此，满了后统一写入磁盘
重做日志（redo log）缓冲等等。

MySQL的线程们

MySQL的线程主要分为后台线程和主动线程，后台线程主要负责刷新内存池中的数据，保证缓冲中的数据是最近的数据。且将数据刷新到磁盘文件redo buffer。

1 Master Thread

核心的后台线程。
负责将缓冲池的数据异步刷新到磁盘，保证数据一致性。
包括：脏页的刷新、合并插入缓冲、UNDO页的回收等。

2 IO Thread

大量使用了AIO来处理IO请求。
负责这些IO请求的回调处理。
主要分为：write Thread，read Thread，insert buffer Thread，log IO Thread。

3 Purge Thread

事务提交后，回滚日志就不需要了，PurgeThread回收已经使用并分配的undo页。
InnoDB 1.1后，purge操作就从Master Thread中单独使用PurgeThread来完成
配置文件配置线程个数，即使大于1，也会被设置为1
- 从InnoDB 1.2后，支持多个PurgeThread

4 Page Cleaner Thread

InnoDB 1.2.x中引入。
将之前版本中脏页的刷新操作放入到这个线程中完成。

MySQL的内存结构和技术

缓冲池

缓冲池简单来说就是一块内存区域，通过内存的速度来弥补磁盘速度较慢对数据库性能的影响。
缓冲池存放的大多都是数据页，主要是为了加速数据页的访问

缓冲池的大小影响数据库的整体性能–内存越大，算力越强，肯定性能越高。
通过innodb_buffer_pool_size设置缓冲池的大小。

LRU List

缓冲池是使用LRU算法来进行管理页的，最频繁的页放在最前，最少访问的放在最后，当新加载页没有空间时，就可以释放最后的页。
LRU存放的页是压缩的页，当要使用时会放到unzip_LRU中解压后缓存

页大小默认为16KB，InnoDB的LRU算法加入了midpoint(理解为中点)，定位在LRU列表的5/8处。midpoint后称为old列表，之前为new列表(热点数据)，且新读的页不一定是热点数据。

unzip_LRU

压缩LRU页主要是存放已经解压的数据页，存放在内存中，可以说数据页存放的主要位置就在这里

压缩页，unzip_LRU如何分配内存的
- 检查4KB的unzip_LRU列表，检查是否有可用的空闲页；
  - 若有，则直接使用；
- 否则没有4kb的，则检查8KB的unzip_LRU列表；
  - 若能够得到8KB空闲页，将页分成2个4KB页，存放到4KB的unzip_LRU列表；
- 若不能得到空闲页，从LRU列表中申请一个16KB的页，将页分为1个8KB的页、2个4KB的页，分别存放到对应的unzip_LRU列表中。

Flush list

页中的数据被修改的就是脏页，因为内存和磁盘的页的内容不一致。此时会通过脏页刷新（Dirty Page Flush）将脏页复制一份到Flush list中，等待CHECKPOINT机制刷新回磁盘，LRU中的脏页不会删，因为Flush刷新回磁盘后，脏页就不是脏页了。

Free List

Free List也是在InnoDB缓冲池中管理的，用于存储可用的空闲页。当需要新的页时，InnoDB会从Free List中获取空闲页，避免频繁申请新的内存空间。

重做日志缓冲

redo log buffer，作用就是包装数据的一致性，相比于Flush列表的刷新，redo log buffer更加准时和及时，一般1秒进行一次刷新。

Master Thread每一秒将redo log buffer刷新到重做日志文件中。
事务提交时会将redo log buffer刷新
redo log buffer空间小于1/2时，会刷新

插入缓冲区 Insert Buffer

对于非聚集索引（非主键索引）插入操作时，不能直接根据索引找到插入的位置，为了提高插入性能(减少磁盘I/O)，将数据首先写入到Insert Buffer中的页内存中。
然后，在后台的线程或特定的检查点时刻，InnoDB会将Insert Buffer中的数据异步地刷回到磁盘页中。这个过程被称为"插入缓冲合并"（Insert Buffer Merge）。

插入缓冲区会根据不同的索引(不同表)来划分区域

变更缓冲区 change buffer

和插入缓冲区类似，只不过是维护修改和删除等操作的缓冲区，并且刷盘时合并操作

Merge Insert Buffer

存放着Insert Buffer中待合并的数据，用于在适当的时候将插入缓冲区（Insert Buffer）中的数据合并写入到相应的索引页中。

两次写

执行数据修改操作时，首先将要修改的数据页复制一份到内存中的一个特殊缓冲区，即 doublewrite buffer（双写缓冲区）。这个特殊缓冲区被视为内存中的一个临时存储区域。
接下来，InnoDB将数据页更新写入磁盘的两个位置：
- 首先，将数据页的副本写入由操作系统管理的磁盘空间上的一个位置。
- 然后，将相同的副本写入 doublewrite buffer 中的另一个位置。
只有在这两个位置都写入成功后，InnoDB才会将对应的事务标记为“已提交”。这确保了双写操作的原子性和一致性。
在数据库崩溃或断电等系统故障发生时，InnoDB可以从 doublewrite buffer 中恢复数据页，以确保数据的完整性。如果某个位置的磁盘页损坏或数据不一致，InnoDB可以使用 doublewrite buffer 中的备份来修复破损的页，避免数据丢失。

主线程的工作

InnoDB的主线程Master Thread具有最高的线程优先级，由主循环，后台循环，刷新循环，暂停循环组成。会根据数据库运行状态在多个循环之间切换

CheckPoint技术–Flush列表中的脏页刷新到磁盘的一个机制

对于InnoDB存储引擎而言，其是通过LSN（Log Sequence Number）来标记版本的。而LSN是8字节的数字，其单位是字节。每个页有LSN，重做日志中也有LSN，Checkpoint也有LSN，LSN也是宕机后恢复数据和检查事务的关键

cp = CheckPoint
作用

缩短数据库的恢复时间：redo日志中cp之前的内容为已经从内存刷入磁盘，cp之后的内容就表示没有刷入，当数据库宕机重启后，读取cp后的内容，所以可以缩短恢复时间。
缓冲池不够用时，将脏页刷新到磁盘：LRU需要保证100个空闲页使用，不够时会将冷页丢弃，如果这个冷页同时是脏页，就需要进行刷入磁盘
重做日志不可用时，刷新脏页：当redo log容量不够用时，可以进行cp，将脏页刷入磁盘，此时重做日志中的日志就可以标记为可丢弃(因为内容已经刷入磁盘，已经持久化)

分类

Sharp CheckPoint：当数据库关闭时就需要将内存中的所有脏页刷新回磁盘。并不适用于正常运行时，因为每次刷新都会有大量数据IO。
Master Thread CheckPoint：每隔1秒或10秒将脏页列表的一定比例的页刷入磁盘。是异步操作，不会阻塞用户线程。
flush_lru_list Checkpoint：LRU需要保证100个空闲页的大小以供使用
Async/Sync Flush Checkpoint：当重做日志不够用的情况下的CheckPoint
Dirty Page too much：脏页的数量太多，导致InnoDB存储引擎强制进行Checkpoint。其目的总的来说还是为了保证缓冲池中有足够可用的页

LSN

Log Sequence Number的缩写，代表日志的序列号，占用8字节且单调递增
有以下含意：重做日志写入的总量、checkpoint的位置、页的版本
页的头部，有一个FIL_PAGE_LSN，记录了该页的LSN，表示该页最后刷新时LSN的大小(用来判断页是否需要进行恢复操作)
- 例如：页P1的LSN为10000，而数据库启动时，InnoDB检测到写入重做日志中的LSN为13 000，并且该事务已经提交，那么数据库需要进行恢复操作，将重做日志应用到P1页中。同样的，对于重做日志中LSN小于P1页的LSN，不需要进行重做，因为P1页中的LSN表示页已经被刷新到该位置

当LSN用于恢复数据时有如下操作：找到cp位置之后的日志部分，因为cp之前的数据是刷入磁盘了的，检查之后的日志部分涉及的页进行恢复——>cp的LSN为10000时发生宕机，恢复操作仅恢复LSN 10 000之后的日志

其他技术

自适应hash索引——可以手动创建了

自适应哈希索引是根据实际的数据访问模式来动态创建和维护的。
- 当某个索引被频繁访问时，InnoDB会自动将其部分数据构建成哈希索引，以提高查询性能。
这种自适应的特性无需手动创建和管理哈希索引
- 而是让InnoDB根据实际的数据访问情况来决定是否创建哈希索引，从而简化了索引的管理工作。
可以不用为了某个索引单独创建一个hash索引，innodb会自动帮我们为热点数据创建hash索引，所以称为自适应hash索引，自适应是因为是innodb会根据我们的热点数据区创建hash索引

AIO

非阻塞IO，当向mysql发送请求时，不会被阻塞，可以连续发送IO操作，并且innodb会进行IO merge通过判断我们要查询的页是否时连续的，来进行mergeIO操作，比如读取(8,6),(8,7),(8,8)会进行合并读取(8,6)连续读取48kb的数据。innodb的AIO需要操作系统提供支持，也就是硬件支撑。

刷新临接页

Flush Neighbor Page（刷新邻接页）的特性。其工作原理为：当刷新一个脏页时，InnoDB存储引擎会检测该页所在区（extent）的所有页，如果是脏页，那么一起进行刷新。这样做的好处显而易见，通过AIO可以将多个IO写入操作合并为一个IO操作，故该工作机制在传统机械磁盘下有着显著的优势。
但是可能会有以下问题：