DBA面试题：MySQL缓存池LRU算法做了哪些改进？

下图是MySQL（MySQL5.7版本）体系架构图

MySQL的InnoDb Buffer Pool 缓冲池是主内存中的一个区域，用来缓存InnoDB在访问表和索引时的数据。对于频繁使用的数据可以直接从内存中访问，从而加快处理速度。如果一台服务器专用作MySQL数据库使用时，通常将70%~80%（具体看总内存大小而定）的物理内存空间分配给缓冲池。

缓冲池由多个缓冲池实例（innodb_buffer_pool_instances）组成，每个实例都有自己的锁和数据结构，这样可以在多线程环境中提高并发性能。缓冲池中的页可以分为干净页和脏页，干净页是指与磁盘上的数据一致的页，而脏页则是指已经被修改但尚未写回磁盘的页。InnoDB会定期将脏页刷新回磁盘，以确保数据的持久性

1. LRU算法

LRU（Least Recently Used，最近最少使用）是一种常见的缓存替换算法，通常用于管理缓存中的数据页面。该算法基于一个简单的思想：当缓存空间不足时，将最近最少被访问的数据页替换出去，以便为新的数据页腾出空间。

LRU算法维护一个数据结构，通常是一个链表或者是一个数组，用于记录数据页面的访问顺序。每当一个数据页面被访问时，就将其移动到链表或数组的头部（或其他适当位置），表示最近被访问。当缓存空间不足时，将链表或数组尾部的数据页面替换出去，因为它们是最近最少被访问的。

LRU算法的优点是简单易实现，并且通常能够有效地利用缓存空间，保留最近被频繁访问的数据页面，从而提高缓存命中率，减少磁盘IO操作，提升系统性能。然而，LRU算法也存在一些缺点，比如需要维护一个有序的数据结构，当缓存数据量非常大时，可能会导致性能下降。

MySQL为了提高大批量数据读取操作的效率，将缓冲池划分为可以潜在地容纳多行的页面。为了提高缓存管理的效率，缓冲池被实现为页面的链接列表；最近很少被使用的数据会使用LRU算法的变体从缓存中淘汰出去。

2. MySQL中的LRU优化

在MySQL中，针对传统的LRU算法进行了优化，以解决全表扫描和预读机制可能带来的性能问题。这种优化被称为“冷热分离”，它将LRU链表分为两部分：一部分用于存放冷数据（即最近加载但尚未被频繁访问的数据页），另一部分用于存放热数据（即经常被访问的数据页）。这样，即使进行全表扫描或预读操作，也不会立即影响到那些热数据页的位置，从而保持了缓冲池的高命中率和性能。

默认情况下，优化后的LRU算法将5/8的缓冲池空间用于存放热数据，3/8的空间用于存放冷数据，冷热区域的边界叫做midpoint区。

当InnoDB将一个页面读入缓冲池时，它最初会将其插入midpoint区（即冷数据区的头部）。此后页面可能被读取，因为它是用户发起的操作（例如SQL查询或作为InnoDB自动执行的预读操作的一部分）。

而访问冷数据区中的页面时会将此页面变“热”，进而将其移到热数据区的头部。如果页面是由于用户发起的操作而被读取的，则首次访问会立即发生，并且页面会变为“热”。如果页面是由于预读操作而被读取的，则首次访问不会立即访问，并且在页面被驱逐之前可能也永远不会被访问。

随着数据库的运行，未被访问的缓冲池中的页面通过向列表的尾部移动而“老化”。随着其他页面被设置为新页面，冷数据区中的页面都会老化。随着页面被插入midpoint，冷数据区中的页面也会老化。最终，保持未使用的页面被推向冷数据区的尾部并被驱逐。

3. 小结

MySQL使用LRU（最近最少使用）算法来管理其InnoDB存储引擎的缓冲池（Buffer Pool），因为这种算法能有效地维护缓存页的使用频率和顺序。LRU算法通过淘汰长时间未被访问的数据页，确保缓冲池中存储的是最可能被再次访问的数据，从而提高数据检索的效率。

在实际应用中，MySQL对传统的LRU算法进行了优化，以解决全表扫描和预读机制可能带来的性能问题。这种优化被称为冷热分离，它将LRU链表分为两部分：一部分用于存放冷数据（即最近加载但尚未被频繁访问的数据页），另一部分用于存放热数据（即经常被访问的数据页）。这样，即使进行全表扫描或预读操作，也不会立即影响到那些热数据页的位置，从而保持了缓冲池的高命中率和性能