MySQL的WAL（Write-Ahead Logging）机制

本文主要是介绍MySQL的WAL（Write-Ahead Logging）机制，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

MySQL 里经常说到的 WAL技术，也就是先写日志，再写磁盘。

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候，我们成这个内存页为“脏页”。内存数据写入磁盘后，内存和磁盘上的数据页内容就一致了，称为“干净页”。

MySQL 从 内存更新到磁盘的过程，称为刷脏页的过程（flush）。

InnoDB 刷脏页的时机：

1. 内存中的redo log 写满了，这时系统就会停止所有更新操作，把checkoutpoint 往前推，redo log留出空间可以继续写。

   
      

往前推进之后，就要把两个点之间的日志对应的所有脏页都 flush 到磁盘上。

这种情况是 InnoDB 要尽量避免的。因为出现这种情况，整个系统都不能接受更新。更新数会跌为0。

2. 系统中内存不足时，当这个时候需要新的数据页到内存中，就要淘汰掉一些数据页，如果淘汰的是“脏页”，就要先将“脏页”写到磁盘。

那么为什么不能直接淘汰所有的内存，下次请求的时候，再从磁盘读入数据页，然后 拿 redo log 出来应用？这其实也是从性能的角度来考虑的，刷脏页一定写盘，就保证了每个数据页只有两种情况：

• 数据页直接在内存里，内存里的肯定是正确的，直接返回
• 内存里没有数据，就可以肯定数据文件上是正确的结果，读入内存后返回。 这样的效率最高。

这种情况在日常应用中其实是常态。在InnoDB 中，使用缓冲池 （buffer pool）管理内存，缓冲池中的内存页有三种状态：

• 还没有使用的；
• 使用了并且是干净页
• 使用了并且是脏页

3. 数据库空闲的时候刷脏页。
4. 数据库正常关闭的时候，也要把内存中所有的脏页全都flush 到磁盘上。

对性能的影响

刷脏页是常态，所以如果出现以下的情况，都会明明显影响性能：

• 一个查询要淘汰的脏页太多，会导致查询的响应时间明显变长；
• 日志写满，更新全部堵住，写性能跌为0，这种情况对于敏感业务来说是不能接受的。

InnoDB 刷脏页的控制策略

首先，需要让 InnoDB 正确指导系统的 IO 能力，来控制刷脏页的快慢。

innodb_io_capacity 这个参数，它会告诉 InnoDB 你的磁盘能力，所以尽量设置成磁盘的 IOPS。可以使用 fio 工具来获取。

fio -filename=$filename -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randrw -ioengine=psync -bs=16k -size=500M -numjobs=10 -runtime=10 -group_reporting -name=mytest

然后，如果你来设计策略控制刷脏页的速度，会参考哪些因素呢？

这个问题可以这么想，如果刷太慢，会出现什么情况？首先是内存脏页太多，其次是 redo log 写满。

所以，InnoDB 的刷盘速度就是要参考这两个因素：一个是脏页比例，一个是 redo log 写盘速度。

参数 innodb_max_dirty_pages_pct 是脏页比例上限，默认是 75%。InnoDB 会根据当前的脏页比例，计算出一个数字 F1。

F1(M)
{
  if M>=innodb_max_dirty_pages_pct then
      return 100;
  return 100*M/innodb_max_dirty_pages_pct;
}

InnoDB 写入日志都会有一个序号，当前写入序号跟 checkpoint 对应的序号之间的差值，假设为N。InnoDB 会根据N 计算出 F2.

根据 F1和F2 取其中较大的值为 R，之后引擎就可以按照 Innodb_io_capacity 定义的能力乘以 R% 来控制刷脏页的速度。

MySQL 中有一个机制，刷脏页的时候如果数据页旁边的数据页也是脏页，那么就会一起刷掉，而且这个逻辑是可以蔓延的，所以对于每个相邻的数据页，都会被一起刷。

在 InnoDB 中，innodb_flush_neighbors 参数就是用来控制这个行为的，值为 1 的时候会有上述的“连坐”机制，值为 0 时表示不找邻居，自己刷自己的。

在使用机械硬盘时，这个优化很有意义，可以减少很多随机 IO。如果使用的是 SSD 这种IOPS 比较高的设备，可以设置innodb_flush_neighbors 为0，只刷自己，这个时候 IOPS 往往就不是性能瓶颈了。只刷自己就可以提高刷脏页的速度，减少 SQL 语句的响应时间。

binlog 的写入机制

binlog 的写入机制比较简单：事务执行的过程中，先把日志写到 binlog cache，事务提交的时候，再把 binlog cache 写到binlog 文件中。

系统给 binlog cache 分配了一片内存，每个线程一个，参数 binglog_cache_size 用于控制单个线程内 binlog cache 的内存大小，超过就要暂存在磁盘。

事务提交的时候，执行器把 binlog cache 里完整事务写入到 binlog 中，并清空 binlog cache。

• write 指的是把日志写入到文件系统的 page cache，并没有吧数据持久化到磁盘，所以速度比较快。
• fsync 是持久化到磁盘的操作，一般情况下， fsync 才会占磁盘的 IOPS。

write 和 fsync 的时机，是由参数 sync_binlog 控制的：

• sync_binlog=0 的时候，表示每次提交事务都只 write，不 fsync；
• sync_binlog=1 的时候，表示每次提交事务都会执行 fsync；
• sync_binlog=N(N>1) 的时候，表示每次提交事务都 write，但累积 N 个事务后才 fsync。

因此，在出现 IO 瓶颈的场景里，将 sync_binlog 设置成一个比较大的值，可以提升性能。在实际的业务场景中，考虑到丢失日志量的可控性，一般不建议将这个参数设成 0，比较常见的是将其设置为 100~1000 中的某个数值。但是，将 sync_binlog 设置为 N，对应的风险是：如果主机发生异常重启，会丢失最近 N 个事务的 binlog 日志。

redo log 的写入机制

事务的执行过程中，生成的 redo log 是要先写到 redo log buffer 的。

redo log 三种状态：

• 存在 redo log buffer 中，物理上是在 MySQL 进程内存中
• 写到磁盘（write），但是没有持久化（fsync），物理上是在文件系统的 page cache 里
• 持久化磁盘，对应的是 hard disk

日志写到 redo log buffer 是很快的，write 到 page cache 也差不多，但是持久化到磁盘的速度就慢多了。

InnoDB 提供了 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数，取值如下：

1. 设置为 0 时，表示每次事务提交时都只是把 redo log 留在 redo log buffer 中；
2. 设置为 1 时，表示每次事务提交时都将 redo log 直接持久化到磁盘；
3. 设置为 2 时，表示每次事务提交时都只是把 redo log 写到 page cache。

InnoDB 有一个后台线程，每隔 1 秒，就会把 redo log buffer 中的日志，调用 write 写到文件系统的 page cache，然后调用 fsync 持久化到磁盘。

组提交机制

日志逻辑序列号（log sequence number，LSN）是一个单调递增的值，对应 redo log 的一个个写入点。每次写入的长度为 lenght 的 redo log，LSN的值就会加上 length。

LSN 也会写到 InnoDB 的数据页中，来确保数据也不会被多次执行重复的 redo log。
在一组提交里面，组员越多，节约磁盘 IOPS 的效果越好。在并发更新的场景下，第一个事务写完 redo log buffer 以后，接下来这个 fsync 越晚调用，组员可能越多，节约 IOPS 的效果就越好。

1. binlog_group_commit_sync_delay 参数，表示延迟多少微秒后才调用 fsync;
2. binlog_group_commit_sync_no_delay_count 参数，表示累积多少次以后才调用 fsync。

WAL机制主要得益于两个方面：

1. redo log 和binlog 都是顺序写，磁盘的顺序写比随机写速度要快；
2. 组提交机制，可以大幅度降低磁盘的 IOPS 消耗。

如果你的 MySQL 现在出现了性能瓶颈，而且瓶颈在 IO 上，可以通过哪些方法来提升性能呢？

针对这个问题，可以考虑以下三种方法：

1. 设置 binlog_group_commit_sync_delay 和 binlog_group_commit_sync_no_delay_count 参数，减少 binlog 的写盘次数。这个方法是基于“额外的故意等待”来实现的，因此可能会增加语句的响应时间，但没有丢失数据的风险。
2. 将 sync_binlog 设置为大于 1 的值（比较常见是 100~1000）。这样做的风险是，主机掉电时会丢 binlog 日志。
3. 将 innodb_flush_log_at_trx_commit 设置为 2。这样做的风险是，主机掉电的时候会丢数据。

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