一文了解InnoDB存储引擎

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从Mysql5.5版本开始,InnoDB是默认的表存储引擎。其特点是行锁设计、支持MVCC、支持外键、提供一致性非锁定读、同时被设计用来最有效的利用以及使用内存和CPU。

本文主要内容:

  • InnoDB体系架构
  • CheckPoint技术
  • InnoDB关键特性
  • 一、InnoDB体系架构

    下图简单描述了InnoDB存储引擎的体系结构:

    一文了解InnoDB存储引擎

    InnoDB存储引擎有多个内存块,这些内存块组成了一个大的内存池。后台线程主要负责刷新内存池中的数据、将已修改的数据刷新到磁盘等等。接下来我们分别介绍后台线程和内存池。

    1.1 后台线程

    InnoDB后台有多个不同的线程,用来负责不同的任务。主要有如下:

  • Master Thread 这是最核心的一个线程,主要负责将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘,保证数据的一致性,包括赃页的刷新、合并插入缓冲、UNDO 页的回收等.

  • IO Thread 在 InnoDB 存储引擎中大量使用了异步 IO 来处理写 IO 请求, IO Thread 的工作主要是负责这些 IO 请求的回调处理。

  • Purge Thread 事务被提交之后, undo log 可能不再需要,因此需要 Purge Thread 来回收已经使用并分配的 undo页. InnoDB 支持多个 Purge Thread, 这样做可以加快 undo 页的回收。

  • Page Cleaner Thread Page Cleaner Thread 是在InnoDB 1.2.x版本新引入的,其作用是将之前版本中脏页的刷新操作都放入单独的线程中来完成,这样减轻了 Master Thread 的工作及对于用户查询线程的阻塞。

  • 1.2 内存

    这一部分,我将网上的比较好的资料尽力去综合,直观的描述出来。
    InnoDB 存储引擎是基于磁盘存储的,也就是说数据都是存储在磁盘上的,由于 CPU 速度和磁盘速度之间的鸿沟, InnoDB 引擎使用缓冲池技术来提高数据库的整体性能。缓冲池简单来说就是一块内存区域.在数据库中进行读取页的操作,首先将从磁盘读到的页存放在缓冲池中,下一次读取相同的页时,首先判断该页是不是在缓冲池中,若在,称该页在缓冲池中被命中,直接读取该页。否则,读取磁盘上的页。对于数据库中页的修改操作,首先修改在缓冲池中页,然后再以一定的频率刷新到磁盘,并不是每次页发生改变就刷新回磁盘。

    缓冲池中缓存的数据页类型有:索引页、数据页、 undo 页、插入缓冲、自适应哈希索引、 InnoDB 的锁信息、数据字典信息等。索引页和数据页占缓冲池的很大一部分(知道有这些页,把这些页当做名词即可,不用感到迷惑)。在InnoDB中,缓冲池中的页大小默认为16KB。

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    我们已经知道这个Buffer Pool其实是一片连续的内存空间,那现在就面临这个问题了:怎么将磁盘上的页缓存到内存中的Buffer Pool中呢?直接把需要缓存的页向Buffer Pool里一个一个往里怼么?不不不,为了更好的管理这些被缓存的页,InnoDB为每一个缓存页都创建了一些所谓的控制信息,这些控制信息包括该页所属的表空间编号、页号、页在Buffer Pool中的地址,一些锁信息以及LSN信息(锁和LSN这里可以先忽略),当然还有一些别的控制信息。

    每个缓存页对应的控制信息占用的内存大小是相同的,我们就把每个页对应的控制信息占用的一块内存称为一个控制块吧,控制块和缓存页是一一对应的,它们都被存放到 Buffer Pool 中,其中控制块被存放到 Buffer Pool 的前边,缓存页被存放到 Buffer Pool 后边,所以整个Buffer Pool对应的内存空间看起来就是这样的:

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    控制块和缓存页之间的那个碎片是个什么呢?你想想啊,每一个控制块都对应一个缓存页,那在分配足够多的控制块和缓存页后,可能剩余的那点儿空间不够一对控制块和缓存页的大小,自然就用不到喽,这个用不到的那点儿内存空间就被称为碎片了。当然,如果你把Buffer Pool的大小设置的刚刚好的话,也可能不会产生碎片~

    前面我们知道了缓冲池的结构。接下来说InnoDB存储引擎是怎么对缓冲池进行管理的。讲下我当时的困惑吧,(这部分可以不看,因为有些名词还没涉及到)看《Mysql技术内幕》这本书,讲LRU List比较多,Free List只是顺带一过,没有将free list初始时是怎么分配的或者是什么样的结构,导致我对缓冲池的管理总是想象不出来,后来经过在网上寻找资料,算是弄明白了。来看一下吧:

    当我们最初启动MySQL服务器的时候,需要完成对Buffer Pool的初始化过程,就是分配Buffer Pool的内存空间,把它划分成若干对控制块和缓存页。但是此时并没有真实的磁盘页被缓存到Buffer Pool中(因为还没有用到),之后随着程序的运行,会不断的有磁盘上的页被缓存到Buffer Pool中,那么问题来了,从磁盘上读取一个页到Buffer Pool中的时候该放到哪个缓存页的位置呢?或者说怎么区分Buffer Pool中哪些缓存页是空闲的,哪些已经被使用了呢?我们最好在某个地方记录一下哪些页是可用的,我们可以把所有空闲的页包装成一个节点组成一个链表,这个链表也可以被称作Free链表(或者说空闲链表)。因为刚刚完成初始化的Buffer Pool中所有的缓存页都是空闲的,所以每一个缓存页都会被加入到Free链表中,假设该Buffer Pool中可容纳的缓存页数量为n,那增加了Free链表的效果图就是这样的:

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    从图中可以看出,我们为了管理好这个Free链表,特意为这个链表定义了一个控制信息,里边儿包含着链表的头节点地址,尾节点地址,以及当前链表中节点的数量等信息。我们在每个Free链表的节点中都记录了某个缓存页控制块的地址,而每个缓存页控制块都记录着对应的缓存页地址,所以相当于每个Free链表节点都对应一个空闲的缓存页。

    有了这个Free链表事儿就好办了,每当需要从磁盘中加载一个页到Buffer Pool中时,就从Free链表中取一个空闲的缓存页,并且把该缓存页对应的控制块的信息填上,然后把该缓存页对应的Free链表节点从链表中移除,表示该缓存页已经被使用了~

    我觉得原作者这部分讲的非常好,图也很用心,直接解决了我的疑问。

    不要因为走的太远而忘记为什么出发。
    简单回顾一下,为什么讲free list?是为了讲怎么管理buffer pool对吧。那free list就相当于是数据库服务刚刚启动没有数据页时,维护buffer pool的空闲缓存页的数据结构。

    下面再来简单地回顾Buffer Pool的工作机制。Buffer Pool两个最主要的功能:一个是加速读,一个是加速写。加速读呢? 就是当需要访问一个数据页面的时候,如果这个页面已经在缓存池中,那么就不再需要访问磁盘,直接从缓冲池中就能获取这个页面的内容。加速写呢?就是当需要修改一个页面的时候,先将这个页面在缓冲池中进行修改,记下相关的重做日志,这个页面的修改就算已经完成了。至于这个被修改的页面什么时候真正刷新到磁盘,这个是后台刷新线程来完成的。

    在实现上面两个功能的同时,需要考虑客观条件的限制,因为机器的内存大小是有限的,所以MySQL的InnoDB Buffer Pool的大小同样是有限的,如果需要缓存的页占用的内存大小超过了Buffer Pool大小,也就是Free链表中已经没有多余的空闲缓存页的时候岂不是很尴尬,发生了这样的事儿该咋办?当然是把某些旧的缓存页从Buffer Pool中移除,然后再把新的页放进来喽~ 那么问题来了,移除哪些缓存页呢?

    为了回答这个问题,我们还需要回到我们设立Buffer Pool的初衷,我们就是想减少和磁盘的I/O交互,最好每次在访问某个页的时候它都已经被缓存到Buffer Pool中了。假设我们一共访问了n次页,那么被访问的页已经在缓存中的次数除以n就是所谓的缓存命中率,我们的期望就是让缓存命中率越高越好~

    怎么提高缓存命中率呢?InnoDB Buffer Pool采用经典的LRU算法来进行页面淘汰,以提高缓存命中率。当Buffer Pool中不再有空闲的缓存页时,就需要淘汰掉部分最近很少使用的缓存页。不过,我们怎么知道哪些缓存页最近频繁使用,哪些最近很少使用呢?呵呵,神奇的链表再一次派上了用场,我们可以再创建一个链表,由于这个链表是为了按照最近最少使用的原则去淘汰缓存页的,所以这个链表可以被称为LRU链表(Least Recently Used)。当我们需要访问某个页时,可以这样处理LRU链表:

  • 如果该页不在Buffer Pool中,在把该页从磁盘加载到Buffer Pool中的缓存页时,就把该缓存页包装成节点塞到链表的头部。
  • 如果该页在Buffer Pool中,则直接把该页对应的LRU链表节点移动到链表的头部。
  • 如果该页在Buffer Pool中,则直接把该页对应的LRU链表节点移动到链表的头部。

    但是这样做会有一些性能上的问题,比如你的一次全表扫描或一次逻辑备份就把热数据给冲完了,就会导致导致缓冲池污染问题!Buffer Pool中的所有数据页都被换了一次血,其他查询语句在执行时又得执行一次从磁盘加载到Buffer Pool的操作,而这种全表扫描的语句执行的频率也不高,每次执行都要把Buffer Pool中的缓存页换一次血,这严重的影响到其他查询对 Buffer Pool 的使用,严重的降低了缓存命中率 !

    所以InnoDB存储引擎对传统的LRU算法做了一些优化,在InnoDB中加入了midpoint。新读到的页,虽然是最新访问的页,但并不是直接插入到LRU列表的首部,而是插入LRU列表的midpoint位置。这个算法称之为midpoint insertion stategy。默认配置插入到列表长度的5/8处。midpoint由参数innodb_old_blocks_pct控制。

    midpoint之前的列表称之为new列表,之后的列表称之为old列表。可以简单的将new列表中的页理解为最为活跃的热点数据。

    同时InnoDB存储引擎还引入了innodb_old_blocks_time来表示页读取到mid位置之后需要等待多久才会被加入到LRU列表的热端。可以通过设置该参数保证热点数据不轻易被刷出。

    好了,基本拿下了LRU list后,我们继续。前面我们讲到页面更新是在缓存池中先进行的,那它就和磁盘上的页不一致了,这样的缓存页也被称为脏页(英文名:dirty page)。所以需要考虑这些被修改的页面什么时候刷新到磁盘?以什么样的顺序刷新到磁盘?当然,最简单的做法就是每发生一次修改就立即同步到磁盘上对应的页上,但是频繁的往磁盘中写数据会严重的影响程序的性能(毕竟磁盘慢的像乌龟一样)。所以每次修改缓存页后,我们并不着急立即把修改同步到磁盘上,而是在未来的某个时间点进行同步,由后台刷新线程依次刷新到磁盘,实现修改落地到磁盘。

    但是如果不立即同步到磁盘的话,那之后再同步的时候我们怎么知道Buffer Pool中哪些页是脏页,哪些页从来没被修改过呢?总不能把所有的缓存页都同步到磁盘上吧,假如Buffer Pool被设置的很大,比方说300G,那一次性同步这么多数据岂不是要慢死!所以,我们不得不再创建一个存储脏页的链表,凡是在LRU链表中被修改过的页都需要加入这个链表中,因为这个链表中的页都是需要被刷新到磁盘上的,所以也叫FLUSH链表,有时候也会被简写为FLU链表。链表的构造和Free链表差不多,这就不赘述了。这里的脏页修改指的此页被加载进Buffer Pool后第一次被修改,只有第一次被修改时才需要加入FLUSH链表(代码中是根据Page头部的oldest_modification == 0来判断是否是第一次修改),如果这个页被再次修改就不会再放到FLUSH链表了,因为已经存在。需要注意的是,脏页数据实际还在LRU链表中,而FLUSH链表中的脏页记录只是通过指针指向LRU链表中的脏页。并且在FLUSH链表中的脏页是根据oldest_lsn(这个值表示这个页第一次被更改时的lsn号,对应值oldest_modification,每个页头部记录)进行排序刷新到磁盘的,值越小表示要最先被刷新,避免数据不一致。

    注意:脏页既存在于LRU列表中,也存在与Flush列表中。LRU列表用来管理缓冲池中页的可用性,Flush列表用来管理将页刷新回磁盘,二者互不影响。

    这三个重要列表(LRU list, free list,flush list)的关系可以用下图表示:

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    Free链表跟LRU链表的关系是相互流通的,页在这两个链表间来回置换。而FLUSH链表记录了脏页数据,也是通过指针指向了LRU链表,所以图中FLUSH链表被LRU链表包裹。

    二、CheckPoint技术

    说完缓冲池,下面说CheckPoint技术。
    CheckPoint技术是用来解决如下几个问题:

  • 缩短数据库恢复时间
  • 缓冲池不够用时,将脏页刷新到磁盘
  • 重做日志不可用时,刷新脏页
  • 缩短数据库恢复时间,重做日志中记录了的checkpoint的位置,这个点之前的页已经刷新回磁盘,只需要对checkpoint之后的重做日志进行恢复。这样就大大缩短了恢复时间。

    缓冲池不够用时,根据LRU算法,溢出最近最少使用的页,如果页为脏页,强制执行checkpoint,将脏页刷新回磁盘。

    重做日志不可用,是指重做日志的这部分不可以被覆盖,为什么?因为:由于重做日志的设计是循环使用的。这部分对应的数据还未刷新到磁盘上。数据库恢复时,如果不需要这部分日志,即可被覆盖;如果需要,必须强制执行checkpoint,将缓冲池中的页至少刷新到当前重做日志的位置。

    checkpoint每次刷新多少页到磁盘?每次从哪里取脏页?什么时间触发checkpoint?

    InnoDB存储引擎内部,两种checkpoint,分别为:

  • Sharp Checkpoint
  • Fuzzy Checkpoint
  • Sharp Checkpoint发生在数据库关闭时,将所有的脏页都刷新回磁盘,这是默认的工作方式,即参数:innodb_fast_shutdown=1。
    不适用于数据库运行时的刷新。

    在数据库运行时,InnoDB存储引擎内部采用Fuzzy Checkpoint,只刷新一部分脏页。

    几种发生Fuzzy Checkpoint的情况: ①MasterThread Checkpoint 异步刷新,每秒或每10秒从缓冲池脏页列表刷新一定比例的页回磁盘。异步刷新,即此时InnoDB存储引擎可以进行其他操作,用户查询线程不会受阻。

    ②FLUSH_LRU_LIST Checkpoint InnoDB存储引擎需要保证LRU列表中差不多有100个空闲页可供使用。在InnoDB 1.1.x版本之前,用户查询线程会检查LRU列表是否有足够的空间操作。如果没有,根据LRU算法,溢出LRU列表尾端的页,如果这些页有脏页,需要进行checkpoint。因此叫:flush_lru_list checkpoint。

    InnoDB 1.2.x开始,这个检查放在了单独的进程(Page Cleaner)中进行。好处:1.减少master Thread的压力 2.减轻用户线程阻塞。 设置参数:innodb_lru_scan_dept:控制LRU列表中可用页的数量,该值默认1024

    ③Async/Sync Flush Checkpoint     指重做日志不可用的情况,需要强制刷新页回磁盘,此时的页时脏页列表选取的。     这种情况是保证重做日志的可用性,说白了就是,重做日志中可以循环覆盖的部分空间太少了,换种说法,就是极短时间内产生了大量的redo log。     接下来会有几个变量,图解也不难,仔细看看。     InnoDB存储引擎,通过LSN(Log Sequence Number)来标记版本,LSN是8字节的数字。每个页有LSN,重做日志有LSN,checkpoint有LSN。 写入日志的LSN:redo_lsn 刷新回磁盘的最新页LSN:checkpoint_lsn     有如下定义: checkpoint_age = redo_lsn - checkpoint_lsn async_water_mark = 75% * total_redo_file_size sync_water_mark = 90% * total_redo_file_size 刷新过程如下图所示:

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    ④Dirty Page too much Checkpoint 即脏页太多,强制checkpoint.保证缓冲池有足够可用的页。 参数设置:innodb_max_dirty_pages_pct = 75 表示:当缓冲池中脏页的数量占75%时,强制checkpoint。1.0.x之后默认75

    ②FLUSH_LRU_LIST Checkpoint
    InnoDB存储引擎需要保证LRU列表中差不多有100个空闲页可供使用。在InnoDB 1.1.x版本之前,用户查询线程会检查LRU列表是否有足够的空间操作。如果没有,根据LRU算法,溢出LRU列表尾端的页,如果这些页有脏页,需要进行checkpoint。因此叫:flush_lru_list checkpoint。

    设置参数:innodb_lru_scan_dept:控制LRU列表中可用页的数量,该值默认1024

    三、InnoDB关键特性

    3.1插入缓冲

    Insert Buffer是InnoDB存储引擎关键特性中最令人激动与兴奋的一个功能。不过这个名字可能会让人认为插入缓冲是缓冲池中的一个组成部分。其实不然,InnoDB缓冲池中有Insert Buffer信息固然不错,但是Insert Buffer和数据页一样,也是物理页的一个组成部分。

    一般情况下,主键是行唯一的标识符。通常应用程序中行记录的插入顺序是按照主键递增的顺序进行插入的。因此,插入聚集索引一般是顺序的,不需要磁盘的随机读取。因为,对于此类情况下的插入,速度还是非常快的。(如果主键类是UUID这样的类,那么插入和辅助索引一样,也是随机的。)

    如果索引是非聚集的且不唯一。在进行插入操作时,数据的存放对于非聚集索引叶子节点的插入不是顺序的,这时需要离散地访问非聚集索引页,由于随机读取的存在而导致了插入操作性能下降。这是因为B+树的特性决定了非聚集索引插入的离散性。

    Insert Buffer的设计,对于非聚集索引的插入和更新操作,不是每一次直接插入到索引页中,而是先判断插入非聚集索引页是否在缓冲池中,若存在,则直接插入,不存在,则先放入一个Insert Buffer对象中。数据库这个非聚集的索引已经插到叶子节点,而实际并没有,只是存放在另一个位置。然后再以一定的频率和情况进行Insert Buffer和辅助索引页子节点的merge(合并)操作,这时通常能将多个插入合并到一个操作中(因为在一个索引页中),这就大大提高了对于非聚集索引插入的性能。

    需要满足的两个条件:

  • 索引是辅助索引;
  • 索引不是唯一的。
  • 辅助索引不能是唯一的,因为在插入缓冲时,数据库并不去查找索引页来判断插入的记录的唯一性。如果去查找肯定又会有离散读取的情况发生,从而导致Insert Buffer失去了意义。

    3.2两次写

    如果说插入缓冲是为了提高写性能的话,那么两次写是为了提高可靠性。

    介绍两次写之前,说一下部分写失效:
    想象这么一个场景,当数据库正在从内存向磁盘写一个数据页时,数据库宕机,从而导致这个页只写了部分数据,这就是部分写失效,它会导致数据丢失。这时是无法通过重做日志恢复的,因为重做日志记录的是对页的物理修改,如果页本身已经损坏,重做日志也无能为力。

    从上面分析我们知道,在部分写失效的情况下,我们在应用重做日志之前,需要原始页的一个副本,两次写就是为了解决这个问题,下面是它的原理图:

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    image.png

    两次写需要额外添加两个部分:
    1)内存中的两次写缓冲(doublewrite buffer),大小为2MB
    2)磁盘上共享表空间中连续的128页,大小也为2MB

    其原理是这样的:
    1)当刷新缓冲池脏页时,并不直接写到数据文件中,而是先拷贝至内存中的两次写缓冲区。
    2)接着从两次写缓冲区分两次写入磁盘共享表空间中,每次写入1MB
    3)待第2步完成后,再将两次写缓冲区写入数据文件

    这样就可以解决上文提到的部分写失效的问题,因为在磁盘共享表空间中已有数据页副本拷贝,如果数据库在页写入数据文件的过程中宕机,在实例恢复时,可以从共享表空间中找到该页副本,将其拷贝覆盖原有的数据页,再应用重做日志即可。

    其中第2步是额外的性能开销,但由于磁盘共享表空间是连续的,因此开销不是很大。可以通过参数skip_innodb_doublewrite禁用两次写功能,默认是开启的,强烈建议开启该功能。

    3.3自适应哈希索引

    哈希是一种非常快的查找方法,在一般情况时间复杂度为O(1)。而B+树的查找次数,取决于B+树的高度,在生成环境中,B+树的高度一般为3-4层,不需要查询3-4次。

    InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询。如果观察到建立哈希索引可以提升速度,这简历哈希索引,称之为自适应哈希索引(Adaptive Hash Index, AHI)。AHI是通过缓冲池的B+树页构造而来的。因此建立的速度非常快,且不要对整张表构建哈希索引。InnoDB存储引擎会自动根据访问的频率和模式来自动的为某些热点页建立哈希索引。

    AHI有一个要求,对这个页的连续访问模式(查询条件)必须一样的。例如联合索引(a,b)其访问模式可以有以下情况:

  • WHERE a=XXX;
  • WHERE a=xxx AND b=xxx。 若交替进行上述两张查询,InnoDB存储引擎不会对该页构造AHI。此外AHI还有如下要求:

  • 以该模式访问了100次;
  • 页通过该模式访问了N次,其中N=页中记录/16。 根据官方文档显示,启用AHI后,读取和写入的速度可以提高2倍,负责索引的链接操作性能可以提高5倍。其设计思想是数据库自由化的,无需DBA对数据库进行人为调整。

  • WHERE a=xxx AND b=xxx。
    若交替进行上述两张查询,InnoDB存储引擎不会对该页构造AHI。此外AHI还有如下要求:

    页通过该模式访问了N次,其中N=页中记录/16。
    根据官方文档显示,启用AHI后,读取和写入的速度可以提高2倍,负责索引的链接操作性能可以提高5倍。其设计思想是数据库自由化的,无需DBA对数据库进行人为调整。

    3.4异步IO(AIO)

    为了提高磁盘操作性能,当前的数据库系统都采用异步IO的方式来处理磁盘操作。InnoDB也是如此。

    与AIO对应的是Sync IO,即每进行一次IO操作,需要等待此次操作结束才能继续接下来的操作。但是如果用户发出的是一条索引扫描的查询,那么这条SQL语句可能需要扫描多个索引页,也就是需要进行多次IO操作。在每扫描一个页并等待其完成再进行下一次扫描,这是没有必要的。用户可以在发出一个IO请求后立即再发出另外一个IO请求,当全部IO请求发送完毕后,等待所有IO操作完成,这就是AIO。

    AIO的另外一个优势是进行IO Merge操作,也就是将多个IO合并为一个IO操作,这样可以提高IOPS的性能。

    在InnoDB 1.1.x之前,AIO的实现是通过InnoDB存储引擎中的代码来模拟的。但是从这之后,提供了内核级别的AIO的支持,称为Native AIO。Native AIO需要操作系统提供支持。Windows和Linux都支持,而Mac则未提供。在选择MySQL数据库服务器的操作系统时,需要考虑这方面的因素。

    MySQL可以通过参数innodb_use_native_aio来决定是否启用Native AIO。在InnoDB存储引擎中,read ahead方式的读取都是通过AIO完成,脏页的刷新,也是通过AIO完成。

    3.5刷新邻接页

    InnoDB存储引擎在刷新一个脏页时,会检测该页所在区(extent)的所有页,如果是脏页,那么一起刷新。这样做的好处是通过AIO可以将多个IO写操作合并为一个IO操作。该工作机制在传统机械磁盘下有显著优势。但是需要考虑下吧两个问题:

    是不是将不怎么脏的页进行写入,而该页之后又会很快变成脏页?
    固态硬盘有很高IOPS,是否还需要这个特性?
    为此InnoDB存储引擎1.2.x版本开始提供参数innodb_flush_neighbors来决定是否启用。对于传统机械硬盘建议使用,而对于固态硬盘可以关闭。

    参考资料 《MySQL技术内幕--InnoDB存储引擎》第二版

    彭东稳: MySQL InnoDB Buffer Pool

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