MySQL Innodb关键特性之插入缓冲(insert buffer)

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什么是insert buffer？

插入缓冲，也称之为insert buffer，它是innodb存储引擎的关键特性之一，我们经常会理解插入缓冲时缓冲池的一个部分，这样的理解是片面的，insert buffer的信息一部分在内存中，另外一部分像数据页一样，存在于物理页中。

在innodb中，我们知道，如果一个表有自增主键，那么对于这个表的默认插入是非常快的，注意，这里的主键是自增的，如果不是自增的，那么这个插入将会变成随机的，就可能带来数据页分裂的开销，这样，插入就不是顺序的，就会变慢。还有一种情况，就是如果我们插入的id不是顺序的，而是随机的，那么即使有自增主键，那么插入的速度也不会特别快。

如果我们定义了一个表，包含一个主键和一个非聚集索引，如下：

create table t(

a int auto_increment,

b varchar(30),

primary key(a),

key (b)

);

当我们按照主键a进行插入的时候，对于非聚集索引，也就是常说的二级索引b,它的插入不是顺序的，插入性能必然会下降。

Innodb存储引擎针对这种情况，设计了Insert Buffer，对于非聚集索引的插入或者更新操作，不是每一次插入到索引页中，而是先判断插入的非聚集索引页是否在缓冲池中，如果在，则直接插入，如果不在，则先放入一个insert buffer中，告诉数据库这个非聚集的索引已经插入到了叶子节点，实际上并没有插入，只是存放在另外一个位置，然后再以一定的频率和情况进行Insert buffer和辅助索引叶子节点合并操作。这种时候，经常能将多条记录的插入合并到一个操作中，这样就大大提高了非聚集索引离散插入的性能。

insert buffer的触发条件？

insert buffer需要满足两个条件才能被使用，第一，索引是辅助索引，也就是二级索引，第二，索引不是唯一的。当满足上述两个条件的时候，就可以使用insert buffer，从而提高数据库的插入操作性能。

这里需要注意，如果在程序进行了大量操作的时候发生了MySQL数据库的宕机，那么肯定有大量的insert buffer没有合并到实际的非聚集索引中去，恢复可能会造成很长的时间。

为什么不能是唯一索引？

之所以不支持唯一索引，是因为如果辅助索引是唯一索引，那么在插入时需要校验唯一性，校验唯一性的时候就会发生离散读取，从而又增加了开销，那么insert buffer得不偿失。

我们可以通过show engine innodb status来查看insert buffer的使用情况，如下：

mysql--root@localhost:dms_alimetadata 20:35:24>>show engine innodb status\G
-------------------------------------
INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX
-------------------------------------
Ibuf: size 1, free list len 0, seg size 2, 0 merges
merged operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
discarded operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0

其中size代表了已经合并记录页的数量，free list len代表了空闲列表的长度，seg size显示了当前insert buffer的大小为2*16KB

引入Change Buffer的概念

最新的MySQL5.7已经支持change buffer，事实上，它在innodb 1.0.x版本已经引入，这个change buffer 可以理解为insert buffer的升级，也就是对常见的DML语言都可以进行缓冲，包含insert delete以及update，对应的分别是insert buffer，delete buffer以及purge buffer。

当然，change buffer的使用对象仍然是非唯一的辅助索引。

这里我们以update操作为例，update的过程可以拆分为两个部分：

第一个部分是将记录的delete_mask标记为删除，如果你不了解delete_mask，可以在4月9号的文章中去看。第二个部分是真正的将记录删除。

而delete buffer对应的是update的第一个过程，purge buffer对应的是第二个部分。

在innodb中，我们可以通过参数innodb_change_buffering来开启buffer的各种选项，该参数可选的值为inserts，deletes，purges，changes，all，none等，其中inserts，deletes和purges就是前面讨论过的情况，changes表示开启inserts和deletes，all表示开启所有，默认的参数如下：

mysql--root@localhost:dms_alimetadata 21:13:37>>show variables like '%buffering%';        
+-------------------------+-------+
| Variable_name           | Value |
+-------------------------+-------+
| innodb_change_buffering | all   |
+-------------------------+-------+
1 row in set (0.01 sec)

我们还可以通过innodb_change_buffer_max_size来控制change_buffer的最大使用内存数量，该参数的默认值是25，也就是1/4，示例如下：

mysql--root@localhost:dms_alimetadata 21:20:52>>show variables like '%innodb_change_buffer_max_size%';
+-------------------------------+-------+
| Variable_name                 | Value |
+-------------------------------+-------+
| innodb_change_buffer_max_size | 25    |
+-------------------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

在上面的show engine innodb status命令的输出结果中，显示了merged operation和discarded operation，其中insert 表示insert buffer的操作次数，delete mark表示delete buffer的操作次数，而delete表示purge buffer的操作次数，discarded operation表示当change buffer发生merge时，表已经被删除，此时就无需进行合并。

Insert Buffer的实现？

insert buffer的数据结构是一棵B+树，类似聚集索引一样，全局只有一棵insert buffer B+树，它负责对所有的表进行insert buffer，而这棵B+树放在共享表空间中，也就是ibdata1文件中，因此，试图通过ibd文件恢复表数据的时候可能会出现check table失败，原因是表的辅助索引中的数据可能还在insert buffer中，所以通过ibd文件恢复文件之后，还需要进行repair table操作来重建表上的辅助索引。

insert buffer既然是一棵树，那么必定有叶子节点和非叶子节点，非叶子节点存放的是查询的search key值，它的构造如下：

+---------+------------+-------+
| space   |   marker   | Value |
+---------+------------+-------+

这个结构一共占用9个字节，其中，space表示待插入的记录所在的表的表空间id，这个id是每个表都要有的唯一的id，其中space占用4个字节，marker占用1个字节，用来兼容老版本的insert buffer，offset占用4个字节，表示页所在的偏移量。

辅助索引的插入过程？

当一个辅助索引要插入到数据页的时候，如果这个数据页不在缓冲池中，那么innodb会根据规则构造一个search key，接下来将这个记录插入到insert buffer的B+树里面去，插入的过程中，需要对这个记录进行一些构造，最终插入的结果是类似下面这样的一条记录：

+---------+------------+-------+------------+------+-------+------+-------+
| space   |   marker   | Value | metadata   |      |       |      |       |
+---------+------------+-------+------------+------+-------+------+-------+

可以发现，最后面多了一个metadata的字段和4个其他的字段，先来说说metadata的字段，它占用4个字节，它用来排序每个记录进入insert buffer的顺序，从第5列开始，就是实际插入记录的各个字段的值了，因此和单纯的数据记录相比，insert buffer需要额外13个字节的开销。

为了保证每次merge insert buffer成功，需要设置一个特殊的数据页来标记每个辅助索引页的可用空间，这个数据页的类型为insert buffer bitmap，这个页可以追踪很多辅助索引页的可用空间。这里简单了解一下，下面会解释它的用法。