【MySQL】四、MySQL的Buffer Pool介绍（一）
本文主要介绍MySQL数据库的Buffer Pool
4.1 回顾一下Buffer Pool在数据库里的地位
Buffer Pool是一个非常关键的组件，因为数据库中的数据实际上最终都是要存放在磁盘文件上的，但是我们在对数据库执行增删改操作的时候，不可能直接更新磁盘上的数据，因为如果直接对磁盘进行随机读写操作，那速度是相当的慢，随便一个大磁盘文件的随机读写操作，可能要几百毫秒。如果要是这么搞的话，可能你的数据库每秒也就只能处理几百个请求了。
在对数据库执行增删改操作的时候，实际上主要都是针对内存里的buffer pool中的数据进行的，也就是你实际上主要是对数据库内存里的数据结构进行了增删改。
4.2 Buffer Pool这个内存数据结构到底长什么样子?
4.2.1 如何配置buffer pool的大小
因为buffer pool本质其实就是数据库的一个内存组件，也就是一片内存数据结构，所以这个内存数据结构肯定是有一定的大小的，不可能是无限大的。
这个buffer pool默认情况下是128MB，还是有一点偏小了，我们实际生产环境下完全可以对buffer pool进行调整，比如我们数据库如果是16核32G的机器，那么可以给buffer pool分配个2GB的内存，使用下面的配置就可以：
1 | [server] |
我们先看一下下面的图，里面就画了数据库中的buffer pool内存组件：
4.2.2 数据页：MySQL中抽象出来的数据单位
现在假设我们的数据库中一定有一片内存区域是Buffer Pool了，那么我们的数据是如何放在Buffer Pool中的？
我们知道数据库的核心数据模型就是表+字段+行的概念，也就是说我们都知道数据库里有一个一个的表，一个表有很多字段，然后一个表里有很多行数据，每行数据都有自己的字段值。
实际上MySQL对数据抽象出来了一个数据页的概念。他是把很多行数据放在了一个数据页里，也就是说我们的磁盘文件中就是会有很多的数据页，每一页数据里放了很多航数据，如下图所示：
所以实际上假设我们要更新一行数据，此时数据库会找到这行数据所在的数据页，然后从磁盘文件里把这行数据所在的数据页直接加载到Buffer Pool里去，也就是说Buffer Pool中存放的是一个一个的数据页。如下图所示：
4.2.3 磁盘上的数据页和Buffer Pool中的缓存页是如何对应起来的
实际上默认情况下，磁盘中存放的数据页大小是16KB，也就是说，一页数据包含了16KB的内容。
而Buffer Pool中存放的一个一个的数据页，我们通常叫做缓存页，因为Buffer Pool是一个缓冲池，里面的数据都是从磁盘缓存到内存中去的。
而Buffer Pool中默认情况下，一个缓存页的大小和磁盘上一个数据页大小是一一对应起来的，都是16KB。
4.2.4 缓存页对应的描述信息是什么？
对于缓存页，实际上有一个描述信息，用来描述这个缓存页的，比如这个数据页所属的表空间、数据页的编号、缓存页在Buffer Pool中的地址以及别的一些东西。
每个缓存页都会有一个描述信息，这个描述信息本身也是一块数据，在Buffer Pool中，每个缓存页的描述数据放在最前面，然后各个缓存页放在后面。
Buffer Pool实际上看起来大概是下面这样子：
而且我们需要注意一点，buffer pool中的描述数据大概相当于缓存页大小的5%左右，也就是每个描述数据大小大概是800个字节左右的大小，然后假设设置的buffer pool大小是128MB，实际上Buffer pool真正的最终大小会超出一些，可能有130MB的样子，因为他里面还要存放每个缓存页的描述数据。
4.3 从磁盘读取数据页到Buffer Pool的时候，free链表有什么用
4.3.1 数据库启动的时候，如何初始化Buffer Pool的
数据库只要一启动，就会按照设置的Buffer Pool大小，稍微再加大一点，去操作系统申请一块内存区域，作为Buffer Pool的内存区域。
当内存区域申请完毕以后，数据库就会按照默认的缓存页的16KB的大小以及对应的800个字节左右的描述数据的大小，在Buffer Pool中划分出来一个一个的缓存页和一个一个的他们对应的描述数据。然后当数据库把Buffer Pool划分完毕之后，看起来就是上面那张图中展示的那样了。
只不过这个时候，Buffer Pool中的一个一个的缓存页都是空的，里面什么都没有，要等数据库运行起来后，当我们要对数据执行增删改操作的时候，才会把数据对应的页从磁盘文件里读取出来，放入Buffer Pool中的缓存页中。
4.3.2 怎么知道哪些缓存页是空闲的呢？
当数据库运行起来后，肯定会不停的执行增删改查的操作，此时就需要不停的从磁盘上读取一个一个的数据页放入Buffer Pool中对应的缓存页里去，把数据缓存起来，那么以后就可以对这个数据在内存里执行增删改查了。
从磁盘上读取数据页放入Buffer Pool中的缓存页的时候，就需要判断哪些缓存页是空闲的。默认情况下磁盘上的数据页和缓存页是一一对应起来的，都是16KB，一个数据页对应一个缓存页。所以我们必须要知道Buffer Pool中哪些缓存页是空闲的状态。
所以数据库为Buffer Pool设计一个free链表，它是一个双向链表数据结构，这个free链表里，每个节点就是一个空闲的缓存页的描述数据块的地址，也就是说，只要有一个缓存页是空闲的，那么他的描述数据块就会被放入这个free链表中。
刚开始数据库启动的时候，可能所有的缓存页都是空闲的，因为此时可能是一个空的数据库，一条数据都没有，所以此时所有缓存页的描述数据块，都会被放入这个free链表中。
可以看到上面出现了一个free链表，这个free链表里面就是各个缓存页的描述数据块，只要缓存页是空闲的，那么他们对应的描述数据块就会加入到这个free链表中，每个节点都会双向链接自己的前后节点，组成一个双向链表。
除此之外，这个free链表有一个基础节点，他会引用链表的头结点和尾节点，里面还存储了链表中有多少个描述数据块的节点，也就是多少个空闲的缓存页。
4.3.3 free链表占用多少内存空间？
这个free链表，他本身其实就是由buffer pool里面的描述数据块组成的，可以认为是每个描述数据块里面都有两个指针，一个是free_pre，一个是free_next，分别指向自己的上一个free链表节点以及下一个free链表的节点。
通过Buffer Pool中的描述数据块的free_pre和free_next两个指针，就可以把所有的描述数据块串成一个free链表。
对于free链表而言，只有一个基础节点是不属于Buffer Pool的，他是40字节大小的一个节点，里面就存放了free链表的头结点的地址，尾节点的地址，还有free链表里当前有多少个节点。
4.3.4 如何将磁盘上的页读取到Buffer Pool的缓存页中去？
当需要把磁盘上的数据页读取到Buffer Pool中的缓存页里去的时候，是怎么做到的呢？
首先我们需要从free链表里获取一个描述数据块，然后就可以对应的获取到这个描述数据块对应的空闲缓存页。
接着我们就可以把磁盘上的数据页读取到对应的缓存页里去，同时把相关的一些描述数据写入缓存页的描述数据块里去，比如这个数据页所属的表空间之类的信息，最后把那个描述数据块从free链表里移除就可以了。
4.3.5 怎么知道数据页有没有被缓存的？
我们在执行增删改查的时候，肯定是先看看这个数据页有没有被缓存，如果没有被缓存就走上面的逻辑，从free链表中找到一个空闲的缓存页，从磁盘中读取数据页写入缓存页，写入描述数据，从free链表中移除这个描述数据块。
但是如何数据页已经被缓存了，那么就会直接使用了。所以其实数据库还会有一个哈希表数据结构，他会用表空间号+数据页号，作为一个key，然后缓存页的地址作为value。
当你要使用一个数据页的时候，通过”表空间号+数据页号”作为key去这个哈希表里面查一下，如果没有就读取数据页，如果已经有了，就说明数据页已经被缓存了。
也就是说每次读取一个数据页到缓存之后，都会在这个哈希表中写入一个key-value对，key就是表空间号+数据页号，value就是缓存页的地址，那么下次如果再使用这个数据页，就可以从哈希表里面直接读取出来他已经被放入一个缓存页了。
【MySQL】四、MySQL的Buffer Pool介绍（一）
