MySQL - 存储引擎之Innodb内存结构

InnoDB存储结构

• MySQL官网存储引擎架构图和介绍
  https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/innodb-architecture.html
  

根据架构图可以看出，Innodb主要分为内存结构与磁盘结构两部分

Innodb内存结构

Buffer Pool（缓冲池）

Buffer Poll 按照Page为存储单位进行存储，大小默认16KB，采用链表结构来管理Page（页），Page大概分为三种类型：

• free page：没有被使用的page
• clean page：被使用的page，但是数据没有被修改过（缓存数据与磁盘数据一致）
• dirty page：被使用过的page(脏页，缓存中的数据和磁盘中的数据不一致）

针对上述三种类型，Innodb通过3种链表结构来维护管理：
1. Free List（空闲链表）

• 作用：管理缓冲池中年未被使用的空闲页
• 数据结构：双向链表（一个节点有两个指针域）
• 工作流程：
  1. 初始化时候，所有页加入Free List
  2. 需要读取新页时：
  • 从Free List头部获取空闲页
  • 加载磁盘数据到该页
  • 页从Free List移除
  3. 当页被释放时候，重新加入Free List尾部
• 关键点：
  • 缓冲池的空闲页"储备库"
  • 加载磁盘数据到该页
  • SHOW ENGINE INNODB STATUS;中的Buffer pool size包含Free List页数
  • 当Free List为空时触发页淘汰

2. Flush List（刷新链表）

• 作用：管理需要写入磁盘的脏页（被修改的页）
• 数据结构：按最早修改时间（oldest_modification）排序的双向链表
• 工作流程：
  1. 页首次被修改时，加入Flush List尾部
  2. 后台刷新线程：
  • 从Flush List头部获取最老的脏页
  • 异步写入磁盘
  • 写入成功后从链表移除
• 关键点：
  • 按LSN（Log Sequence Number）排序
  • 检查点机制基于Flush List工作
  • innodb_io_capacity控制刷新速率
  • SHOW STATUS LIKE 'Innodb_buffer_pool_pages_dirty'查看脏页数量

3. LRU List（最近最少使用链表）

• 作用：管理已使用的内存页，实现页淘汰算法
• 数据结构：改进的LRU双向链表（分New和Old区）
• 工作流程：
  1. 新页加载到Midpoint位置（Old区头部）
  2. 页被访问时：
  • 若在Old区且存活超过innodb_old_blocks_time，移至Young区头部
  • 在New区，移至链表头部
  3. 淘汰时从尾部移除Old区页
• 关键优化：
  • Midpoint Insertion：避免全表扫描污染缓存
  • Old Sublist：innodb_old_blocks_pct控制比例（默认37%）
  • reeze Period：innodb_old_blocks_time（默认1000ms）防止短期访问提升

普通LRU：末尾淘汰法，新数据从链表头部加入，释放空间时从末尾淘汰
改进LRU：链表分为New和Old两个部分，加入元素时不是从表头插入，而是从中间Midpoint位置插入（如果数据很快被访问，数据就向New头部移动，如果数据被访问很慢，就向Ol尾部移动等待淘汰）
主要解决：预读失效和Buffer Pool污染问题

链表整体协同工作流程图：

监控命令：

-- 查看链表状态
SHOW ENGINE INNODB STATUS\G

-- 查看页分配
SELECT 
  POOL_ID,
  FREE_BUFFERS AS `Free List`, 
  DATABASE_PAGES AS `LRU List`,
  OLD_DATABASE_PAGES AS `LRU Old区`,
  MODIFIED_DATABASE_PAGES AS `Flush List` 
FROM information_schema.INNODB_BUFFER_POOL_STATS;

重点参数介绍：

参数	默认值	作用
innodb_page_size	16384	page页大小(字节)
innodb_old_blocks_pct	37	Old区占LRU比例(%)
innodb_old_blocks_time	1000	Old区晋升等待时间(ms)
innodb_max_dirty_pages_pct	90	最大脏页比例(%)
innodb_io_capacity	200	每秒刷新页数上限
innodb_buffer_pool_chunk_size	134217728	每个实例的数据大小
innodb_buffer_pool_instances	1	Buffer Pool实例数
innodb_buffer_pool_size	134217728	总数据大小

Adaptive Hash Index（自适应哈希索引）

自适应哈希索引(AHI)是Innodb引擎内置的自动内存优化机制，通过监控查询模式，在内存中动态创建哈希索引来加速B+树查询

性能提升原理：

1. O(1)访问速度：哈希索引 vs B+树的 O(log N)
2. 减少B+树遍历：避免多级节点访问
3. 降低CPU消耗：简化查询处理路径
4. 自动优化：无需DBA手动干预

性能对比：

操作	B+树索引	AHI启用	提升幅度
等值查询	3-4次页访问	1次内存访问	5-8倍
高并发点查	大量树遍历	直接哈希定位	10倍+
热点数据访问	重复遍历路径	一次哈希命中	3-5倍

Change Buffer（写缓冲区）

Change Buffer是Innodb用于优化非唯一，二级索引写操作的组件，通过延迟写入操作来提升数据库性能

性能提升原理：

1. 减少随机I/O：合并多个变更到单词磁盘写入
2. 降低磁盘压力：避免即时写入索引页
3. 提高相应速度：写操作无需等待磁盘I/O

性能对比：

场景	无Change Buffer	启用Change Buffer	提升幅度
批量INSERT	每次索引更新都需磁盘I/O	仅需1次合并写入	5-10倍
高并发UPDATE	大量随机写操作	批量顺序写入	3-8倍
DELETE操作	即时更新索引结构	延迟合并删除标记	2-5倍

工作原理：

• 写入阶段
  
• 合并阶段

1. 读取触发：当首次读取索引页时
2. 后台合并：innodb_background_merge_threads线程定期处理
3. 关闭数据库：系统关闭时强制合并
   

配置参数：

参数	默认值	说明
innodb_change_buffer_max_size	25%	Change Buffer最大内存占比
innodb_change_buffering	all	缓冲操作类型
innodb_background_merge_threads	4	后台合并线程数

工作原理：

• 创建机制
  
• 哈希结构

+---------------------+
| 哈希键               |
|(索引值 + 页号)       | => 指向缓冲池中的页
+---------------------+

配置参数：

参数	默认值	说明
innodb_adaptive_hash_index	ON	是否启用AHI
innodb_adaptive_hash_index_parts	8	AHI分区数
innodb_adaptive_hash_index_threshold	100	触发创建阈值

Log Buffer（日志缓

Log Buffer是Innodb引擎的核心内存组件，用于临时存储重做日志(Redo Log)条目，作为磁盘日志文件与内存操作之间的高性能

性能提升原理：

1. 批量写入：合并多次小I/O为单次大I/O
2. 顺序写入优化：即使随机更新，日志仍顺序写入
3. 异步提交：事务可先返回成功在持久化日志
4. 减少磁盘压力：避免每次事务都直接写盘

工作流程：

• 写入路径
  

关键配置参数：

参数	默认值	说明
innodb_log_buffer_size	16MB	缓冲区大小
innodb_flush_log_at_trx_commit	1	刷盘策略
innodb_flush_log_at_timeout	1s	后台刷盘间隔

刷盘策略详解：

策略值	名称	持久性	性能	适用场景
1	每次提交刷盘	最高(ACID)	最低	金融交易系统
2	提交只写OS缓存	中等(OS崩溃可能丢数据)	高	常规业务系统
0	每秒刷盘	最低(崩溃丢1s数据)	最高	日志采集等