InnoDB 概念学习笔记

InnoDB 概念学习笔记

本笔记主要是先理清InnoDB涉及的一些重要概念。

整体架构

执行单位

按照《MySQL技术内幕》一书的逻辑，体系架构被分为线程、内存池和文件三部分。物理执行层面确实这么分也没问题，毕竟其他的数据库逻辑概念也得在这三者中去体现。此处会先介绍每个物理部分涉及的功能或概念，后续会放到相应的数据库逻辑路径上去另外介绍。

需注意：8.0很多实现和书中介绍还是有差别的，可以参照书中的概念入手，但还是要结合对应版本代码去验证

线程

InnoDB的线程分类可以粗略理解，主要是一个MasterThread主线程，然后配合上一些功能性线程池(IO、Purge)等，然后还有一些拆分出来单独线程协作分担MasterThread的工作(PageCleanerThread)。

Master Thread

8.0源码入口见 srv_mater_thread()。master_thread除了初始化部分，负责的事情归纳如下：

• log_free_check()，检查redo log的存储空间是否足够。如果认为不足够，则会wait。
• srv_master_do_active_tasks()，这里是个计数器，如果activity值大于前值，则说明有新的活动，会调用该函数。什么东西算是server activity?
• srv_master_do_idle_tasks()，如果没有新的活动，则进入idle_tasks()。实际代码基本和srv_master_do_active_tasks() 一样。不知道为啥一样，感觉是历史原因变成这样？
  • row_drop_tables_for_mysql_in_background() ，drop table只能发生在没有SELECT quries的时候。
  • merge insert buffer 合并插入缓冲到文件的索引页(缓冲池里的页的修改直接写入)，结合外层的loop就构成了一个定时合并ibuf的cron逻辑。
  • srv_master_evict_from_table_cache(uint check_precent)，清除table cache中无用的table。active下检查比例是50%（即检查50%的cache看看又没能evict的），idle是100%。table_cache是一个LRUcache，缓存最近访问的table的元信息。

看上去MasterThread里的工作很零散(包括被移出去的PageCleaner)，实际的设计思路是MasterThread负责InnoDB里的Background Operations，而后台活动主要也就是各种检查、清理、刷脏等。前台活动的线程由上层server层的THD提供，不经过MasterThread的逻辑。

PageCleanerThread

InnoDB1.2版本从MasterThread拆分出来的单独线程，负责将bufferpool的脏页刷至磁盘，减轻MasterThread的工作压力。
PageCleaner其实也是一组线程，数量由page_cleaners变量决定，默认为4，共享一个静态变量static page_cleaner_t *page_cleaner来接收flush request和是否running的状态。额外会有一个coordinator线程，所以实际线程数量是page_cleaners+1 。

IO Threads

分为read和write，配置参见read_io_threads和write_io_threads。InnoDB用AIO (libaio) 来实现IO，对于不完善支持libaio的MacOSX则自己实现了一套模拟AIO的代码。

	if (!srv_read_only_mode) {
    /* Add the log and ibuf IO threads. */
    srv_n_file_io_threads += 2;
  }
/* For read only mode, we don't need ibuf and log I/O thread.
  Please see innobase_start_or_create_for_mysql() */
  ulint start = (srv_read_only_mode) ? 0 : 2;
  for (ulint t = 0; t < srv_n_file_io_threads; ++t) {
    if (t < start) {
      if (t == 0) {
        os_thread_create(io_ibuf_thread_key, io_handler_thread, t);
      } else {
        ut_ad(t == 1);
        os_thread_create(io_log_thread_key, io_handler_thread, t);
      }
    } else if (t >= start && t < (start + srv_n_read_io_threads)) {
      os_thread_create(io_read_thread_key, io_handler_thread, t);

    } else if (t >= (start + srv_n_read_io_threads) &&
               t < (start + srv_n_read_io_threads + srv_n_write_io_threads)) {
      os_thread_create(io_write_thread_key, io_handler_thread, t);
    } else {
      os_thread_create(io_handler_thread_key, io_handler_thread, t);
    }
  }

IO Threads的分配可参见上述来自 srv_start()的代码。非readonly模式下，会额外多出一个ibuf线程和一个log线程。最后一个else的io_handler_thread_key按照目前代码逻辑应当是不会进入的。

Purge Threads

srv_start_purge_threads(), 由purge_threads参数控制worker线程数量，额外有一个coordinator线程。用于回收undo log，undo log在没有事务使用的时候可以删除。目前支持多个PurgeThreads并行回收，这是很有必要的，因为这种异步回收方式在压力大的时候会出现回收跟不上的情况，导致无用日志占空间越滚越大。

redo log不需要专门删除，事务落盘后，相应的存储位置会释放出来重用给后面的redo log写入(recycle log 的方式)。binlog则是expire_logs_days 到期后回收。

其他线程

MySQL8.0代码中的线程实际比起其他资料介绍的要多不少，具体可以在innodb代码里搜索 os_thread_create。log相关的、fts相关的都未介绍。

内存池

BufferPool

BufferPool是一个由Page组成的LinkedList实现的缓冲池，采用一种优化的LRU算法。BufferPool在单个InnoDB实例中允许存在多个(after 1.0.x)。

LRU in BufferPool 被分为了两部分，默认配置中，大约5/8属于new区，剩下3/8属于old区，由一个midpoint划分开（配置innodb_old_blocks_pct，默认值37，37%约等于3/8）。实际上new区并不一定代表其中的page就是最新的，而是代表最活跃的。想象在scan场景（尤其是全表扫描），每个页都会被访问一次，但是绝大部分scan的页一般也只会在本次scan中被用到一次然后快速地又被换出，并且一般内存容量也不可能将全量的页从磁盘缓存到内存。因此，由于full scan或scan prefetching等场景而导致BufferPool原来的pattern失效，是一件对整体应用性能极其不友好的事。
当前解决方案是 新的page页在进入LRU链表中时，会先插入到old sublist 的头部，然后page需要在old sublist中停留innodb_old_blocks_time（默认1000ms）这么久后，下一次对该page的访问才会使其移动到new sublist的头部。也就是说，scan的page只会在old sublist上换入换出，而不会影响到new sublist的缓存pattern。

BufferPool中有三种page

• free page: 此page未被使用，此种类型page位于Free List 中
• clean page: 此page被使用，对应数据文件中的一个页面，但是页面没有被修改，此种类型page位于LRU List中
• dirty page: 此page被使用，对应数据文件中的一个页面，但是页面被修改过，此种类型page位于LRU List和Flush List中

BufferPool中实际存在三种page linkedlist结构：

• Free List: 存放free page的列表
• LRU List: 上述所描述的LRU就是LRU List。
• Flush List：LRU列中数据被修改后，产生脏页。数据库通过checkpoint机制将脏页刷新会磁盘，Flush List中的页即为脏页列表。脏页即存在于LRU中，也存在于Flush中。LRU List用于管理缓冲池中页的可用性，Flush List用于将页刷新回磁盘。

画图 其行为大致是，InnoDB启动时都是free pages on Free List，随着用户使用，LRU List会逐渐被填充，其中被修改过的dirty pages就会提交给Flush List去刷脏。刷盘后的dirty pages就会转为free pages还给 Free List，等待分配。最后是否所有flush操作都会还给Free List存疑

Buffer Pool LRU/Flush List flush对比:

1. LRU list flush，由用户线程触发(MySQL 5.6.2之前)；而Flush list flush由MySQL数据库InnoDB存储引擎后台srv_master线程处理。(在MySQL 5.6.2之后，都被迁移到page cleaner线程中)
2. LRU list flush，其目的是为了写出LRU 链表尾部的dirty page，释放足够的free pages，当buf pool满的时候，用户可以立即获得空闲页面，而不需要长时间等待；Flush list flush，其目的是推进Checkpoint LSN，使得InnoDB系统崩溃之后能够快速的恢复。
3. LRU list flush，其写出的dirty page，需要移动到LRU链表的尾部(MySQL 5.6.2之前版本)；或者是直接从LRU链表中删除，移动到free list(MySQL 5.6.2之后版本)。Flush list flush，不需要移动page在LRU链表中的位置。
4. LRU list flush，由于可能是用户线程发起，已经持有其他的page latch，因此在LRU list flush中，不允许等待持有新的page latch，导致latch死锁；而Flush list flush由后台线程发起，未持有任何其他page latch，因此可以在flush时等待page latch。
5. LRU list flush，每次flush的dirty pages数量较少，基本固定，只要释放一定的free pages即可；Flush list flush，根据当前系统的更新繁忙程度，动态调整一次flush的dirty pages数量，量很大。

Redo log buffer

redo log会有一段内存专门用来作为写缓存，大小为 innodb_log_buffer_size（默认16MB）。log_buffer_write()的时候实际是memcpy到了缓存中，log_buffer_flush_to_disk()才会刷盘。刷盘时每一个block都是OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE=512 byte。

redo log刷盘触发条件：

• srv_start()
• binary log group commit
• 存疑，low level代码没见到16MB满了触发flush这种逻辑

Adaptive Hash Index (AHI)

InnoDB观察到符合如下情况时，会对缓冲池里的对应页构建Hash索引，加速页的定位查找：

• enable AHI，并且该页未被加写锁
• 对于该页的连续的访问模式必须一样(查询条件必须完全一样)
• 访问模式查询了100次
• 页通过该访问模式被访问到了N次，N = 页中记录数 / 16

On-disk structure

基本概念

• Row 行：InnoDB存储引擎是面向行的（row-oriented)，每个页存放的行记录最多允许存放16KB / 2 = 7992行记录。

• Page 页：默认16k，innodb最基本的存储单位。innoDB存储引擎中，常见的页类型有：

  1. 数据页（B-tree Node)
  2. undo页（undo Log Page）
  3. 系统页 （System Page）
  4. 事务数据页 （Transaction System Page）
  5. 插入缓冲位图页（Insert Buffer Bitmap）
  6. 插入缓冲空闲列表页（Insert Buffer Free List）
  7. 未压缩的二进制大对象页（Uncompressed BLOB Page）
  8. 压缩的二进制大对象页 （compressed BLOB Page）

• Extent 区：每个文件按照固定的page size进行区分，默认情况下，非压缩表的page size为16Kb。在文件内部又按照64个Page(总共1M)一个Extent的方式进行划分并管理。对于不同的page size，对应的Extent大小也不同，对应为：
  page size file space extent size
  4 KiB 256 pages = 1 MiB
  8 KiB 128 pages = 1 MiB
  16 KiB 64 pages = 1 MiB
  32 KiB 64 pages = 2 MiB
  64 KiB 64 pages = 4 MiB

• Segment 段：逻辑概念。一棵B+树会分为数据段和索引段。存疑？和ibuf/log 的线程 segment有什么关系？

  • 数据段 leaf-node segment，又称为叶节点段，存储实际的行数据
  • 索引段 non-leaf node segment，又称为内节点段，存储索引。
  • 回滚段 rollback segment，undo pages所在的段。

• Tablespace 表空间：由不同的段组成。InnoDB把数据保存在表空间内，表空间可以看作是InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层。本质上是一个由一个或多个磁盘文件组成的虚拟文件系统。InnoDB用表空间并不只是存储表和索引，还保存了回滚段、双写缓冲区等。表空间分为了两种：

  1. 独立表空间：启用参数innodb_file_per_table，每一个表都将会生成以独立的文件方式来进行存储，每一个表都有一个.frm表描述文件，还有一个.ibd文件。 其中这个文件包括了单独一个表的数据内容以及索引内容，默认情况下它的存储位置也是在表的位置之中。
  2. 共享表空间： Innodb的所有数据保存在一个单独的表空间里面，而这个表空间可以由很多个文件组成，一个表可以跨多个文件存在，所以其大小限制不再是文件大小的限制，而是其自身的限制。从Innodb的官方文档中可以看到，其表空间的最大限制为64TB，也就是说，Innodb的单表限制基本上也在64TB左右了，当然这个大小是包括这个表的所有索引等其他相关数据。

• Fil_system (File system): 在InnoDB的内存中维护了一个Fil_system的数据结构来缓存整个文件管理. Fil_system分为64个shard. 而每个shard管理多个Tablespace。64个shard中，第1个即索引为0的shard属于系统表空间，最后一个shard即索引为63的shard为Redo Log的Tablespace, 而58-61是属于Undo Log的shard。

  

• undo pages: 记录page的上一个状态，用于实现多版本和事务的回滚。

• redo log: 相当于可重放的WAL，InnoDB用于记录事务操作的变化，记录的是数据修改之后的值，不管事务是否提交都会记录下来。

• binlog: 由Server层产生的binlog记录了对MySQL数据库执行更改的所有操作，不包括SELECT、SHOW等只读操作，包括即使没有造成实际数据变化的写操作。

redo log与binlog的区别

1. redo log是在InnoDB存储引擎层产生，而binlog是MySQL数据库的上层产生的，并且二进制日志不仅仅针对INNODB存储引擎，MySQL数据库中的任何存储引擎对于数据库的更改都会产生二进制日志。
2. 两种日志记录的内容形式不同。MySQL的binlog是逻辑日志，其记录是对应的SQL语句。而innodb存储引擎层面的重做日志是物理日志。
3. 两种日志与记录写入磁盘的时间点不同，二进制日志只在事务提交完成后进行一次写入。而innodb存储引擎的重做日志在事务进行中不断地被写入，并日志不是随事务提交的顺序进行写入的。二进制日志仅在事务提交时记录，并且对于每一个事务，仅在事务提交时记录，并且对于每一个事务，仅包含对应事务的一个日志。而对于innodb存储引擎的重做日志，由于其记录是物理操作日志，因此每个事务对应多个日志条目，并且事务的重做日志写入是并发的，并非在事务提交时写入，其在文件中记录的顺序并非是事务开始的顺序。
4. binlog不是循环使用，在写满或者重启之后，会生成新的binlog文件，redo log是循环使用。
5. binlog可以作为恢复数据使用，主从复制搭建，redo log作为异常宕机或者介质故障后的数据恢复使用。

ChangeBuffer

名字虽然是Buffer，但实际是单独的一类物理页，包括InsertBuffer、DeleteBuffer、PurgeBuffer，分别对应DML的insert、delete、update。仅作用于非UNIQUE的二级索引，因为ChangeBuffer并没有去查找索引来确定当前插入key是唯一的这一步骤。每个Buffer实际上是一棵B+Tree（据说是全局的B+Tree，而不是按表划分的？）。

InsertBuffer：每次插入非聚集索引时，先检查对应索引页是否在缓冲池中，如果在则直接插入；否则，写入到InsertBuffer中，然后会定期或条件触发merge ibuf操作。这种思想有点近似于LSM的做法，先写到当前的乱序的level-0，然后之后再和主要存储数据的higher levels去做合并。这样的好处是提高写入效率，减少边写边查的情况。

触发merge ibuf的原因包括：

• MasterThread 的loop检查
• 相应的二级索引页要被读到缓冲池
• InsertBuffer Bitmap页追踪到该二级索引页在InsertBuffer上已无可用空间

存疑：所以实际的page组织是怎么样的？数据和page的映射是怎么决定的？

DoubleWriteBuffer

名字虽然是Buffer，但实际是一片顺序物理存储，相当于页刷入磁盘时的WAL。一个innodb页一般16k，但在OS层一个IO一般是4k，所以如果只写了16k的一部分然后宕机了，这时候就会出现'partial page write' ，即写入失败了，但部分页已经被更新了。
如果数据先顺序写入DoubleWriteBuffer，然后再刷盘，就算部分失败，也可借助DoubleWriteBuffer 里的页信息去重新apply一遍写入。DoubleWriteBuffer由于是顺序写，因此写入效率也比较高、写入失败也能比较容易恢复(Append写)。

参考

• MySQL · 引擎特性 · InnoDB文件系统 by 印风 ATA
• MySQL 8.0 InnoDB DevDoc
• Book <MySQL技术内幕：InnoDB存储引擎>
• MySQL中的重做日志（redo log），回滚日志（undo log），以及二进制日志（binlog）的简单总结
• innodb lru list、free list、flush list
• mysql buffer pool里的三种链表和三种page
• InnoDB的文件组织结构 by Leviathan