2.5 Master Thread工作方式
在2.3节中我们知道了，InnoDB存储引擎的主要工作都是在一个单独的后台线程Master Thread中完成的，这一节将具体解释该线程的具体实现及该线程可能存在的问题。
2.5.1 InnoDB 1.0.x版本之前的Master Thread
Master Thread具有最高的线程优先级别。其内部由多个循环（loop）组成：主循环（loop）、后台循环（backgroup loop）、刷新循环（flush loop）、暂停循环（suspend loop）。Master Thread会根据数据库运行的状态在loop、background loop、flush loop和suspend loop中进行切换。
Loop被称为主循环，因为大多数的操作是在这个循环中，其中有两大部分的操作——每秒钟的操作和每10秒的操作。伪代码如下：
void master_thread(){
loop：
for(int i= 0; i<10; i++){
do thing once per second
sleep 1 second if necessary
}
do things once per ten seconds
goto loop;
}
可以看到，loop循环通过thread sleep来实现，这意味着所谓的每秒一次或每10秒一次的操作是不精确的。在负载很大的情况下可能会有延迟（delay），只能说大概在这个频率下。当然，InnoDB源代码中还通过了其他的方法来尽量保证这个频率。
每秒一次的操作包括：
?日志缓冲刷新到磁盘，即使这个事务还没有提交（总是）；
?合并插入缓冲（可能）；
?至多刷新100个InnoDB的缓冲池中的脏页到磁盘（可能）；
?如果当前没有用户活动，则切换到background loop（可能）。
即使某个事务还没有提交，InnoDB存储引擎仍然每秒会将重做日志缓冲中的内容刷新到重做日志文件。这一点是必须要知道的，因为这可以很好地解释为什么再大的事务提交（commit）的时间也是很短的。
合并插入缓冲（Insert Buffer）并不是每秒都会发生的。InnoDB存储引擎会判断当前一秒内发生的IO次数是否小于5次，如果小于5次，InnoDB认为当前的IO压力很小，可以执行合并插入缓冲的操作。
同样，刷新100个脏页也不是每秒都会发生的。InnoDB存储引擎通过判断当前缓冲池中脏页的比例（buf_get_modified_ratio_pct）是否超过了配置文件中innodb_max_dirty_pages_pct这个参数（默认为90，代表90%），如果超过了这个阈值，InnoDB存储引擎认为需要做磁盘同步的操作，将100个脏页写入磁盘中。
总结上述操作，伪代码可以进一步具体化，如下所示：
void master_thread(){
goto loop;
loop：
for(int i = 0; i<10; i++){
thread_sleep(1) // sleep 1 second
do log buffer flush to disk
if (last_one_second_ios < 5 )
do merge at most 5 insert buffer
if ( buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct )
do buffer pool flush 100 dirty page
if ( no user activity )
goto backgroud loop
}
do things once per ten seconds
background loop:
do something
goto loop:
}
接着来看每10秒的操作，包括如下内容：
?刷新100个脏页到磁盘（可能的情况下）；
?合并至多5个插入缓冲（总是）；
?将日志缓冲刷新到磁盘（总是）；
?删除无用的Undo页（总是）；
?刷新100个或者10个脏页到磁盘（总是）。
在以上的过程中，InnoDB存储引擎会先判断过去10秒之内磁盘的IO操作是否小于200次，如果是，InnoDB存储引擎认为当前有足够的磁盘IO操作能力，因此将100个脏页刷新到磁盘。接着，InnoDB存储引擎会合并插入缓冲。不同于每秒一次操作时可能发生的合并插入缓冲操作，这次的合并插入缓冲操作总会在这个阶段进行。之后，InnoDB存储引擎会再进行一次将日志缓冲刷新到磁盘的操作。这和每秒一次时发生的操作是一样的。
接着InnoDB存储引擎会进行一步执行full purge操作，即删除无用的Undo页。对表进行update、delete这类操作时，原先的行被标记为删除，但是因为一致性读（consistent read）的关系，需要保留这些行版本的信息。但是在full purge过程中，InnoDB存储引擎会判断当前事务系统中已被删除的行是否可以删除，比如有时候可能还有查询操作需要读取之前版本的undo信息，如果可以删除，InnoDB会立即将其删除。从源代码中可以发现，InnoDB存储引擎在执行full purge操作时，每次最多尝试回收20个undo页。
然后，InnoDB存储引擎会判断缓冲池中脏页的比例（buf_get_modified_ratio_pct），如果有超过70%的脏页，则刷新100个脏页到磁盘，如果脏页的比例小于70%，则只需刷新10%的脏页到磁盘。
现在我们可以完整地把主循环（main loop）的伪代码写出来了，内容如下：
void master_thread(){
goto loop;
loop：
for(int i = 0; i<10; i++){
thread_sleep(1) // sleep 1 second
do log buffer flush to disk
if (last_one_second_ios < 5 )
do merge at most 5 insert buffer
if ( buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct )
do buffer pool flush 100 dirty page
if ( no user activity )
goto backgroud loop
}
if ( last_ten_second_ios < 200 )
do buffer pool flush 100 dirty page
do merge at most 5 insert buffer
do log buffer flush to disk
do full purge
if ( buf_get_modified_ratio_pct > 70% )
do buffer pool flush 100 dirty page
else
buffer pool flush 10 dirty page
goto loop
background loop:
do something
goto loop:
}
接着来看background loop，若当前没有用户活动（数据库空闲时）或者数据库关闭（shutdown），就会切换到这个循环。background loop会执行以下操作：
?删除无用的Undo页（总是）；
?合并20个插入缓冲（总是）；
?跳回到主循环（总是）；
?不断刷新100个页直到符合条件（可能，跳转到flush loop中完成）。
若flush loop中也没有什么事情可以做了，InnoDB存储引擎会切换到suspend__loop，将Master Thread挂起，等待事件的发生。若用户启用（enable）了InnoDB存储引擎，却没有使用任何InnoDB存储引擎的表，那么Master Thread总是处于挂起的状态。
最后，Master Thread完整的伪代码如下：
void master_thread(){
goto loop;
loop：
for(int i = 0; i<10; i++){
thread_sleep(1) // sleep 1 second
do log buffer flush to disk
if ( last_one_second_ios < 5 )
do merge at most 5 insert buffer
if ( buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct )
do buffer pool flush 100 dirty page
if ( no user activity )
goto backgroud loop
}
if ( last_ten_second_ios < 200 )
do buffer pool flush 100 dirty page
do merge at most 5 insert buffer
do log buffer flush to disk
do full purge
if ( buf_get_modified_ratio_pct > 70% )
do buffer pool flush 100 dirty page
else
buffer pool flush 10 dirty page
goto loop
background loop:
do full purge
do merge 20 insert buffer
if not idle:
goto loop:
else:
goto flush loop
flush loop:
do buffer pool flush 100 dirty page
if ( buf_get_modified_ratio_pct>innodb_max_dirty_pages_pct )
goto flush loop
goto suspend loop
suspend loop:
suspend_thread()
waiting event
goto loop;
}
2.5.2 InnoDB1.2.x版本之前的Master Thread
在了解了1.0.x版本之前的Master Thread的具体实现过程后，细心的读者会发现InnoDB存储引擎对于IO其实是有限制的，在缓冲池向磁盘刷新时其实都做了一定的硬编码（hard coding）。在磁盘技术飞速发展的今天，当固态磁盘（SSD）出现时，这种规定在很大程度上限制了InnoDB存储引擎对磁盘IO的性能，尤其是写入性能。
从前面的伪代码来看，无论何时，InnoDB存储引擎最大只会刷新100个脏页到磁盘，合并20个插入缓冲。如果是在写入密集的应用程序中，每秒可能会产生大于100个的脏页，如果是产生大于20个插入缓冲的情况，Master Thread似乎会“忙不过来”，或者说它总是做得很慢。即使磁盘能在1秒内处理多于100个页的写入和20个插入缓冲的合并，但是由于hard coding，Master Thread也只会选择刷新100个脏页和合并20个插入缓冲。同时，当发生宕机需要恢复时，由于很多数据还没有刷新回磁盘，会导致恢复的时间可能需要很久，尤其是对于insert buffer来说。
这个问题最初由Google的工程师Mark Callaghan提出，之后InnoDB官方对其进行了修正并发布了补丁（patch）。InnoDB存储引擎的开发团队参考了Google的patch，提供了类似的方法来修正该问题。因此InnoDB Plugin（从InnoDB1.0.x版本开始）提供了参数innodb_io_capacity，用来表示磁盘IO的吞吐量，默认值为200。对于刷新到磁盘页的数量，会按照innodb_io_capacity的百分比来进行控制。规则如下：
?在合并插入缓冲时，合并插入缓冲的数量为innodb_io_capacity值的5%；
?在从缓冲区刷新脏页时，刷新脏页的数量为innodb_io_capacity。
若用户使用了SSD类的磁盘，或者将几块磁盘做了RAID，当存储设备拥有更高的IO速度时，完全可以将innodb_io_capacity的值调得再高点，直到符合磁盘IO的吞吐量为止。
另一个问题是，参数innodb_max_dirty_pages_pct默认值的问题，在InnoDB 1.0.x版本之前，该值的默认为90，意味着脏页占缓冲池的90%。但是该值“太大”了，因为InnoDB存储引擎在每秒刷新缓冲池和flush loop时会判断这个值，如果该值大于innodb_max_dirty_pages_pct，才刷新100个脏页，如果有很大的内存，或者数据库服务器的压力很大，这时刷新脏页的速度反而会降低。同样，在数据库的恢复阶段可能需要更多的时间。
在很多论坛上都有对这个问题的讨论，有人甚至将这个值调到了20或10，然后测试发现性能会有所提高，但是将innodb_max_dirty_pages_pct调到20或10会增加磁盘的压力，系统的负担还是会有所增加的。Google在这个问题上进行了测试，证明20并不是一个最优值。而从InnoDB 1.0.x版本开始，innodb_max_dirty_pages_pct默认值变为了75，和Google测试的80比较接近。这样既可以加快刷新脏页的频率，又能保证了磁盘IO的负载。
InnoDB 1.0.x版本带来的另一个参数是innodb_adaptive_flushing（自适应地刷新），该值影响每秒刷新脏页的数量。原来的刷新规则是：脏页在缓冲池所占的比例小于innodb_max_dirty_pages_pct时，不刷新脏页；大于innodb_max_dirty_pages_pct时，刷新100个脏页。随着innodb_adaptive_flushing参数的引入，InnoDB存储引擎会通过一个名为buf_flush_get_desired_flush_rate的函数来判断需要刷新脏页最合适的数量。粗略地翻阅源代码后发现buf_flush_get_desired_flush_rate通过判断产生重做日志（redo log）的速度来决定最合适的刷新脏页数量。因此，当脏页的比例小于innodb_max_dirty_pages_pct时，也会刷新一定量的脏页。
还有一个改变是：之前每次进行full purge操作时，最多回收20个Undo页，从InnoDB 1.0.x版本开始引入了参数innodb_purge_batch_size，该参数可以控制每次full purge回收的Undo页的数量。该参数的默认值为20，并可以动态地对其进行修改，具体如下：
mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_purge_batch_size'\G;
*************************** 1. row ***************************
Variable_name: innodb_purge_batch_size
Value: 20
mysql> SET GLOBAL innodb_purge_batch_size=50;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
通过上述的讨论和解释我们知道，从InnoDB 1.0.x版本开始，Master Thread的伪代码必将有所改变，最终变成：
void master_thread(){
goto loop;
loop：
for(int i = 0; i<10; i++){
thread_sleep(1) // sleep 1 second
do log buffer flush to disk
if ( last_one_second_ios < 5% innodb_io_capacity )
do merge 5% innodb_io_capacity insert buffer
if ( buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct )
do buffer pool flush 100% innodb_io_capacity dirty page
else if enable adaptive flush
do buffer pool flush desired amount dirty page
if ( no user activity )
goto backgroud loop
}
if ( last_ten_second_ios <innodb_io_capacity)
do buffer pool flush 100% innodb_io_capacity dirty page
do merge 5% innodb_io_capacity insert buffer
do log buffer flush to disk
do full purge
if ( buf_get_modified_ratio_pct > 70% )
do buffer pool flush 100% innodb_io_capacity dirty page
else
dobuffer pool flush 10% innodb_io_capacity dirty page
goto loop
background loop:
do full purge
do merge 100% innodb_io_capacity insert buffer
if not idle:
goto loop:
else:
goto flush loop
flush loop:
do buffer pool flush 100% innodb_io_capacity dirty page
if ( buf_get_modified_ratio_pct>innodb_max_dirty_pages_pct )
go to flush loop
goto suspend loop
suspend loop:
suspend_thread()
waiting event
goto loop;
}
很多测试都显示，InnoDB 1.0.x版本在性能方面取得了极大的提高，其实这和前面提到的Master Thread的改动是密不可分的，因为InnoDB存储引擎的核心操作大部分都集中在Master Thread后台线程中。
从InnoDB 1.0.x开始，命令SHOW ENGINE INNODB STATUS可以查看当前Master Thread的状态信息，如下所示：
mysql>SHOW ENGINE INNODB STATUS\G;
*************************** 1. row ***************************
Type: InnoDB
Name:
Status:
=====================================
090921 14:24:56 INNODB MONITOR OUTPUT
=====================================
Per second averages calculated from the last 6 seconds
----------
BACKGROUND THREAD
----------
srv_master_thread loops: 45 1_second, 45 sleeps, 4 10_second, 6 background, 6 flush
srv_master_thread log flush and writes: 45 log writes only: 69
……
这里可以看到主循环进行了45次，每秒挂起（sleep）的操作进行了45次（说明负载不是很大），10秒一次的活动进行了4次，符合1∶10。background loop进行了6次，flush loop也进行了6次。因为当前这台服务器的压力很小，所以能在理论值上运行。如果是在一台压力很大的MySQL数据库服务器上，看到的可能会是下面的情景：
mysql> show engine innodb status\G;
*************************** 1. row ***************************
Type: InnoDB
Name:
Status:
=====================================
091009 10:14:34 INNODB MONITOR OUTPUT
=====================================
Per second averages calculated from the last 42 seconds
----------
BACKGROUND THREAD
----------
srv_master_thread loops: 2188 1_second, 1537 sleeps, 218 10_second, 2 background, 2 flush
srv_master_thread log flush and writes: 1777 log writes only: 5816
……
可以看到当前主循环运行了2188次，但是循环中的每秒挂起（sleep）的操作只运行了1537次。这是因为InnoDB对其内部进行了一些优化，当压力大时并不总是等待1秒。因此，并不能认为1_second和sleeps的值总是相等的。在某些情况下，可以通过两者之间差值的比较来反映当前数据库的负载压力。
2.5.3 InnoDB 1.2.x版本的Master Thread
在InnoDB 1.2.x版本中再次对Master Thread进行了优化，由此也可以看出Master Thread对性能所起到的关键作用。在InnoDB 1.2.x版本中，Master Thread的伪代码如下：
if InnoDB is idle
srv_master_do_idle_tasks();
else
srv_master_do_active_tasks();
其中srv_master_do_idle_tasks()就是之前版本中每10秒的操作，srv_master_do_active_tasks()处理的是之前每秒中的操作。同时对于刷新脏页的操作，从Master Thread线程分离到一个单独的Page Cleaner Thread，从而减轻了Master Thread的工作，同时进一步提高了系统的并发性。
