InnoDB对LRU算法的优化

标准 LRU 算法的核心思想是：当缓存空间不足时，淘汰掉最近最少使用的数据块（Page）。它通常用一个链表来实现，链表头部是最近访问的 Page，链表尾部是最久未访问的 Page。

然而，在数据库系统中直接使用标准 LRU 算法可能会遇到一些问题：

1. 全表扫描 (Full Table Scan) 问题： 当执行一个大的全表扫描时，会读取并访问表中所有的 Page。这些 Page 会被依次加载到 Buffer Pool 中，并根据标准 LRU 算法被移动到链表的头部。这会很快地将 Buffer Pool 中原来存放的、真正“热点”的、频繁访问的数据 Page 推到链表尾部，导致它们被淘汰，然后后续需要再次访问这些热点数据时又需要从磁盘重新读取，性能下降。

2. 预读 (Read-Ahead) 问题： InnoDB 有预读机制，会一次性读取多个 Page 到 Buffer Pool 中。这些 Page 可能后续并不会被立即访问，如果直接放入 LRU 头部，同样会污染缓存。

为了解决这些问题，InnoDB 并没有采用一个纯粹的 LRU 列表，而是对其进行了优化，主要思想是将 LRU 列表分成两个部分：

InnoDB 的优化 LRU 策略：新生代 (Young Generation) 和老生代 (Old Generation)

InnoDB 的 Buffer Pool 内部维护了一个 LRU 链表，但这个链表被逻辑上分成了两个区域：

1. Young Generation (新生代)： 存放的是最近经常被访问的热点数据 Page。位于整个 LRU 链表的头部。

2. Old Generation (老生代)： 存放的是访问相对较少的 Page，或者刚从磁盘加载进来但还没有被频繁访问的 Page。位于整个 LRU 链表的尾部。

这两个区域的比例是可配置的，通过 innodb_old_blocks_pct 参数控制，默认值是 37%，表示老生代占整个 Buffer Pool 的 37%，其余 63% 是新生代。

Page 如何进入和在列表中移动：

• 新 Page 加载： 当一个新的 Page 从磁盘被读取到 Buffer Pool 中时，它通常不会直接进入 Young Generation 的头部，而是被放置到 Old Generation 的头部。这是为了防止全表扫描等操作带来的 Page 瞬间冲垮 Young Generation。

• 访问 Old Generation 中的 Page： 当访问一个已经在 Buffer Pool 中、且当前位于 Old Generation 的 Page 时：

  • 如果该 Page 在进入 Old Generation 后，距离首次访问它的时间还没有超过 innodb_old_blocks_time 设定的阈值（默认是 0 毫秒），那么它不会被移动到 Young Generation，仍然留在 Old Generation 的原位。这可以防止那些只被短暂扫描（如一次性顺序读）访问的 Page 立即晋升。

  • 如果该 Page 在进入 Old Generation 后，距离首次访问它的时间已经超过了 innodb_old_blocks_time 设定的阈值，那么该 Page 会被移动到 Young Generation 的头部。这意味着它被认为是热点数据，成功晋升。

• 访问 Young Generation 中的 Page： 当访问一个已经在 Buffer Pool 中、且当前位于 Young Generation 的 Page 时，它会被移动到 Young Generation 的头部。这是标准 LRU 的行为，确保最近访问的热点数据始终在链表的最前端。

• 淘汰 Page： 当 Buffer Pool 空间不足需要淘汰 Page 时，总是从 Old Generation 的尾部 开始淘汰最久未使用的 Page。

这种优化带来的好处：

1. 保护热点数据： 大量的、一次性访问的 Page（如全表扫描带来的）只会被加载到 Old Generation 的头部，它们需要在 Old Generation 中“冷却”一段时间并再次被访问后才有机会晋升到 Young Generation。如果它们后续没有被频繁访问，就会在 Old Generation 中逐渐向尾部移动并最终被淘汰，而不会污染和挤占 Young Generation 中真正的热点数据。

2. 应对顺序扫描： innodb_old_blocks_time 参数进一步优化了顺序扫描的影响。即使 Page 进入了 Old Generation，如果只是短暂访问，也不会立即晋升，减少了 Young Generation 被不常用的 Page 占据的可能性。

3. 提高缓存命中率： 通过将热点数据集中在 Young Generation，并在淘汰时优先淘汰老生代的 Page，提高了 Buffer Pool 对常用数据的缓存效率，从而提高整体性能。

相关的配置参数：

• innodb_buffer_pool_size: Buffer Pool 的总大小。

• innodb_old_blocks_pct: Old Generation 占 Buffer Pool 的百分比 (默认 37)。

• innodb_old_blocks_time: Page 在 Old Generation 中首次访问后，需要等待多久（毫秒）才能在下次访问时被晋升到 Young Generation (默认 0)。

总的来说，InnoDB 的 LRU 优化通过引入 Young/Old 两代以及 Page 进入和移动的策略，有效地解决了标准 LRU 在数据库工作负载下可能遇到的“缓存污染”问题，使得 Buffer Pool 能够更有效地缓存真正的热点数据。