Mysql杂志（十六）——缓存池
缓存池
我们之前十四篇的时候有说过这个mysql的逻辑结构是什么样子的，其中就有缓存池的部分，今天就来说说这个缓存池都有哪些部件，他在Mysql中又有着什么作用，下面这个图是InnoDB的缓存池组件图了，里面的六大组件我们一个一个来说
数据页 (Data Pages)
核心功能就是缓存表数据的行记录（Row Data）。这是缓存池最主要、占比最大的部分，所有用户表的行数据都存储在这里。当执行SELECT * FROM table或通过索引访问到具体行时，InnoDB会将整个数据页（通常16KB）从磁盘的.ibd文件加载到缓存池的数据页区域。后续对该页中任何行的读写操作都在内存中进行，速度极快。直接减少了查询所需的数据磁盘I/O，是提升性能最根本的机制。如果缓存池能容纳整个热数据集，性能将得到极大提升。就好像图书馆的书架。书架上放着书籍的实际内容。
索引页 (Index Pages)
核心功能就是缓存索引数据，即B+Tree结构的节点（包括非叶子节点和叶子节点）。当执行带WHERE条件过滤、ORDER BY排序或JOIN操作的查询时，InnoDB会遍历索引树。索引页被缓存后，这些遍历操作完全在内存中进行，无需读盘。加速了数据定位和访问路径。数据库的性能很大程度上取决于索引的效率，而将索引缓存到内存是保证其效率的关键。图书馆的索引卡片柜。卡片柜本身不存储书的内容，但能告诉你书在哪里。
更改缓冲区 (Change Buffer)
缓存对“非唯一”二级索引的插入、更新、删除操作。当要修改一个非唯一索引时（如INSERT一条新记录），如果对应的索引页不在缓存池中，InnoDB不会立即去磁盘加载它。而是将这次修改操作（如“在索引k中插入值v”）缓存到Change Buffer中。未来，当这个索引页因查询等原因被加载到缓存池时，再将Change Buffer中的修改合并（Merge） 到该索引页上。将随机磁盘I/O转换为顺序I/O，极大地提升了涉及二级索引的写操作性能（特别是大批量插入和更新），是InnoDB的一大性能利器。如图书馆的借阅登记处。读者还书时，管理员不会立刻跑回书架归位，而是先放在登记处，等下次去书架区时再一并处理。
自适应哈希索引 (Adaptive Hash Index - AHI)
自动为频繁访问的索引页创建内存中的哈希索引，将B+Tree的O(log n)查找复杂度提升到近乎O(1)。InnoDB监控查询模式，如果发现某个索引页被以相同模式的等值查询（=， IN）频繁访问，则会自动为其在内存中构建一个哈希索引。后续查询直接通过哈希计算定位，无需再走B+Tree的根节点到叶节点的路径。进一步加速了热点数据的等值查询速度。这是一个完全自动、内部优化的功能，用户无法干预。如图书馆员为最热门、最常被询问的书籍制作了一份私人快速查找表，别人问时她不用去查卡片柜，直接就能报出位置。
锁系统 (Lock System)
实现行级锁，管理并发事务间的数据访问冲突，保证事务的隔离性（Isolation）。当一个事务要修改某一行时，会在锁系统中为这一行申请一个锁（如排他锁，X-Lock）。如果其他事务也要修改同一行，则必须等待这个锁被释放。锁信息存储在缓存池相关的内存结构中。是数据库支持高并发、保证数据一致性的基石。没有锁，多个事务同时修改同一数据会导致数据损坏。就好像图书馆研究小间的门锁。一个人在里面看书做笔记（修改数据）时，会把门锁上，其他人只能等待，从而避免干扰。
缓冲控制块 (Control Blocks)
缓存池的“元数据管理系统”或“大脑”。它为缓存池中的每一个数据页/索引页维护一个描述信息（元数据）。控制块并不存储实际数据，而是存储关于页的管理信息，例如：该页属于哪个表空间、哪个页号。该页是“脏页”还是“干净页”。该页的访问历史（用于LRU算法淘汰）。该页是否被加锁。通过Free List、LRU List、Flush List这三种链表，控制块高效地组织和管理着所有缓存页。没有控制块，缓存池就是一盘散沙。它负责调度、淘汰、刷脏，确保有限的内存空间被最高效地利用。就好像图书馆的中央管理系统。系统本身不存放书籍，但它记录着每本书的状态（在架、借出、在哪个书架）、热度（借阅次数），并据此决定采购新书和下架旧书的策略。
列表 | 角色 | 管理的内容 | 生命周期 |
|---|---|---|---|
Free List | 资源分配者 | 所有空闲的页 | 页被使用时离开此列表 |
LRU List | 绩效管理者 | 所有已被使用的页（干净页+脏页） | 页从被加载到被淘汰，一直在此列表 |
Flush List | 质量监督员 | 所有已被使用的脏页 | 页从被修改到被刷盘，在此列表 |
既然说到这三个了那我们就来讲讲呗
Free List（空闲列表）
管理所有未被使用的、空闲的缓存页帧（Frame）。当需要从磁盘加载新数据页到缓存池时会使用到他。工作流程就是首先检查Free List，如果有空闲页，直接从这里分配一个。如果Free List为空，则触发LRU List进行页面淘汰，腾出空闲页。
LRU List（最近最少使用列表）
管理所有已被使用的缓存页（包括干净页和脏页）的访问顺序，并根据访问频率决定淘汰谁。当Free List为空，需要淘汰旧页来加载新页时。会采用改进的Midpoint LRU算法，列表分为：
New Sublist（新生代，5/8）：存放最近被访问过的热点数据。
Old Sublist（老生代，3/8）：存放新加载的或访问较少的数据。淘汰主要发生在这里的尾部。
工作流程：
1.数据页第一次从磁盘读入时，被插入到Old Sublist的头部。
2.如果这个页在Old Sublist中再次被访问，它才会被提升到New Sublist的头部。
3.随着新页的加入，LRU列表尾部的页（最久未使用）会被淘汰。
4.如果淘汰的页是脏页（被修改过），则会由后台线程刷回磁盘后淘汰。
这种设计的好处：有效预防一次性的全表扫描操作污染整个缓存池。一次性的扫描数据只会停留在Old区并很快被淘汰，而不会冲掉New区的真正热点数据。
这个和JVM的顺序是反过来的，JVM是新生代GC的多，mysql确实老年代回收的多。
Flush List（刷新列表）
专门跟踪和管理所有已被修改但未写入磁盘的缓存页，即脏页（Dirty Page）。当一个页面第一次被修改时，它会被加入Flush List。由后台的Page Cleaner线程定期扫描此列表，将脏页异步刷回磁盘，确保数据持久性。刷盘成功后，该页并不会从缓存池移除，但会从Flush List中移除。
操作过程
下面这个就是主包画的操作图了，很清晰的可以看到Mysql的操作过程，都是先查缓存池的，没有再读磁盘然后写到缓存池，再放回给客户端，增删改也是先改缓存池的，然后要修改的数据缓存池没有，也会先从磁盘读到缓存池再修改，定期或者没有空白列表了才会更新到磁盘。
脏页（Dirty Page）的标记方式
当数据被修改（UPDATE、INSERT、DELETE）时：修改的是缓存池中的“数据页”（Data Page），而不是单独修改某一行。整个数据页会被标记为“脏页”，而不仅仅是修改的那一行。
脏页会被加入 Flush List（刷新列表），等待后台线程（Page Cleaner）将其刷回磁盘。
为什么是整个页？因为InnoDB 的存储单位是 页（Page，默认16KB），而不是行（Row）。而且磁盘 I/O 是按页进行的，所以即使只修改了一行，InnoDB 也会把整个页标记为脏页，并在合适的时机刷回磁盘。
INSERT（新增数据）
- 新数据会被写入缓存池的某个数据页（Data Page）。
- 如果该页原本不在缓存池中，InnoDB 会先将其从磁盘加载到缓存池，然后插入新数据。
- 该页会被标记为脏页，并加入
Flush List，等待刷盘。
DELETE（删除数据）
InnoDB 并不会立即从磁盘物理删除数据，而是：
- 在缓存池的数据页中标记该行为“已删除”（逻辑删除）。
- 该页会被标记为脏页，并加入
Flush List。 - 后台线程（
Purge）会在合适的时机清理这些已删除的行（物理删除）。
总结
本篇主要讲了mysql中缓存池的作用，相对来说还是十分有用的，不然我们查数据也不会这么快，因为从磁盘读是非常慢的。