数据查询过程

对于select id from T where k=5这样的等值查询语句,这个查询语句在索引树上查找的过程,先是通过 B+ 树从树根开始,按层搜索到叶子节点,也就是图中右下角的这个数据页,然后可以认为数据页内部通过二分法来定位记。

但是普通索引和唯一索引的处理细节上略有差异:

       对于普通索引来说,查找到满足条件的第一个记录 (5,500) 后,需要查找下一个记录,直到碰到第一个不满足 k=5 条件的记录。

       对于唯一索引来说,由于索引定义了唯一性,查找到第一个满足条件的记录后,就会停止继续检索。

在 InnoDB 中,每个数据页的大小默认是 16KB。

数据更新过程

       当需要更新一个数据页时,如果数据页在内存中就直接更新,而如果这个数据页还没有在内存中的话,在不影响数据一致性的前提下,InnoDB 会将这些更新操作缓存在 change buffer 中,这样就不需要从磁盘中读入这个数据页了。在下次查询需要访问这个数据页的时候,将数据页读入内存,然后执行 change buffer 中与这个页有关的操作。通过这种方式就能保证这个数据逻辑的正确性。

       将 change buffer 中的操作应用到原数据页,得到最新结果的过程称为 merge。除了访问这个数据页会触发 merge 外,系统有后台线程会定期 merge。在数据库正常关闭(shutdown)的过程中,也会执行 merge 操作。

       对于唯一索引来说,所有的更新操作都要先判断这个操作是否违反唯一性约束。比如,要插入 (4,400) 这个记录,就要先判断现在表中是否已经存在 k=4 的记录,而这必须要将数据页读入内存才能判断。如果都已经读入到内存了,那直接更新内存会更快,就没必要使用 change buffer 了。

      因此,唯一索引的更新就不能使用 change buffer,实际上也只有普通索引可以使用。

      change buffer 用的是 buffer pool 里的内存,因此不能无限增大。change buffer 的大小,可以通过参数 innodb_change_buffer_max_size 来动态设置。这个参数设置为 50 的时候,表示 change buffer 的大小最多只能占用 buffer pool 的 50%。

第一种情况是,这个记录要更新的目标页在内存中。这时,InnoDB 的处理流程如下:

       对于唯一索引来说,找到 3 和 5 之间的位置,判断到没有冲突,插入这个值,语句执行结束;

       对于普通索引来说,找到 3 和 5 之间的位置,插入这个值,语句执行结束。

第二种情况是,这个记录要更新的目标页不在内存中。这时,InnoDB 的处理流程如下:

      对于唯一索引来说,需要将数据页读入内存,判断到没有冲突,插入这个值,语句执行结束;

      对于普通索引来说,则是将更新记录在 change buffer,语句执行就结束了。这个普通索引的做法会刷新我对普通索引的认知,和一般的处理思路都不一样。

change buffer 的使用场景 

 change buffer 只限于用在普通索引的场景下,而不适用于唯一索引。

因为 merge 的时候是真正进行数据更新的时刻,而 change buffer 的主要目的就是将记录的变更动作缓存下来,所以在一个数据页做 merge 之前,change buffer 记录的变更越多(也就是这个页面上要更新的次数越多),收益就越大。

因此,对于写多读少的业务来说,页面在写完以后马上被访问到的概率比较小,此时 change buffer 的使用效果最好。这种业务模型常见的就是账单类、日志类的系统。

反过来,假设一个业务的更新模式是写入之后马上会做查询,那么即使满足了条件,将更新先记录在 change buffer,但之后由于马上要访问这个数据页,会立即触发 merge 过程。这样随机访问 IO 的次数不会减少,反而增加了 change buffer 的维护代价。所以,对于这种业务模式来说,change buffer 反而起到了副作用。

change buffer 和 redo log

mysql> insert into t(id,k) values(id1,k1),(id2,k2);

假设当前 k 索引树的状态,查找到位置后,k1 所在的数据页在内存 (InnoDB buffer pool) 中,k2 所在的数据页不在内存中。

这条更新语句做了如下的操作(按照图中的数字顺序):

       Page 1 在内存中,直接更新内存;

       Page 2 没有在内存中,就在内存的 change buffer 区域,记录下“我要往 Page 2 插入一行”这个信息

       将上述两个动作记入 redo log 中。

那在这之后的读请求,要怎么处理呢?

比如,我们现在要执行 select * from t where k in (k1, k2)。如果读语句发生在更新语句后不久,内存中的数据都还在,那么此时的这两个读操作就与系统表空间(ibdata1)和 redo log(ib_log_fileX)无关了。

从图中可以看到:

       读 Page 1 的时候,直接从内存返回。

      读 Page 2 的时候,需要把 Page 2 从磁盘读入内存中,然后应用 change buffer 里面的操作日志,生成一个正确的版本并返回结果。可以看到,直到需要读 Page 2 的时候,这个数据页才会被读入内存。

redo log 主要节省的是随机写磁盘的 IO 消耗(转成顺序写),而 change buffer 主要节省的则是随机读磁盘的 IO 消耗。

 

change buffer merge 的执行流程是这样的:

        从磁盘读入数据页到内存(老版本的数据页);

       从 change buffer 里找出这个数据页的 change buffer 记录 (可能有多个),依次应用,得到新版数据页;

       写 redo log。

这个 redo log 包含了数据的变更和 change buffer 的变更。到这里 merge 过程就结束了。

这时候,数据页和内存中 change buffer 对应的磁盘位置都还没有修改,属于脏页,之后各自刷回自己的物理数据,就是另外一个过程了。

 

 

后记:

唯一索引的处理机制和其他数据库基本上一致,都是先从磁盘上读取数据页,然后进行插入或更新数据页对应的内存页,并修改索引树;

普通索引不需要从磁盘上进行随机IO读取数据页,而是直接写入change buffer,减少了随机IO的消耗,其实是滞后 了随机IO的消耗,提高了性能。