导读

我们先来回顾一下交友平台用户表的表结构：

CREATE TABLE `user` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `user_id` int(8) DEFAULT NULL COMMENT '用户id',
  `user_name` varchar(29) DEFAULT NULL COMMENT '用户名',
  `user_introduction` varchar(498) DEFAULT NULL COMMENT '用户介绍',
  `sex` tinyint(1) DEFAULT NULL COMMENT '性别',
  `age` int(3) DEFAULT NULL COMMENT '年龄',
  `birthday` date DEFAULT NULL COMMENT '生日',
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `index_un_age_sex` (`user_name`,`age`,`sex`),
  KEY `index_age_sex` (`age`,`sex`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

其中，user_introduction字段：用户介绍，里面允许用户填写非常长的内容，所以，我将这个字段的设为varchar(498)，加上其他字段，单条记录的长度可能就会比较大了，这时，如果执行下面这条SQL：

select user_id, user_name, user_introduction from user where age > 20 and age < 50

假设用户表中已经存储300w条记录，执行上面的SQL，会发生什么情况呢？

对MySQL有初步了解的同学肯定知道Query Cache，它的作用就是缓存查询结果，通过首次查询时，建立SQL与结果的映射关系，相同SQL再次查询时，可以命中Query Cache，以此来提升后续相同查询的效率。

因此，对于上面的SQL查询，MySQL可以在首次执行这条SQL后，将查询结果写入Query Cache，下次相同SQL执行时，可以从Query Cache中取出结果返回。

但是，你有没有想过，如果满足查询条件的用户数超过10w，那么，这10w条记录能否完全写进Query Cache呢？

今天，我就从Query Cache的结构说起，逐步揭晓答案。

在《导读》中我提到MySQL通过建立SQL与查询结果的映射关系来实现再次查询的快速命中，那么，问题来了：为了实现这样的一个映射关系，总得有个结构承载这样的关系吧！那么，MySQL使用什么结构来承载这样的映射关系呢？

或许你已经想到了：HashMap！没错，MySQL的确使用了HashMap来表达SQL与结果集的映射关系。进而我们就很容易想到这个HashMap的Key和Value是什么了。

• Key：MySQL使用query + database + flag组成一个key。这个key的结构还是比较直观的，它表示哪个库的哪条SQL使用了Query Cache。
• Value：MySQL使用一个叫query_cache_block的结构作为Map的value，这个结构存放了一条SQL的查询结果。

Query Cache Block

那么，一条SQL的查询结果又是如何存放在query_cache_block中的呢？下面我们就结合《导读》中的SQL，来看看一个query_cache_block的结构：

如上图所示，一个query_cache_block主要包含3个核心字段：

• used：存放结果集的大小。MySQL通过block在内存中的偏移量 + 这个大小来获取结果集。如上图，假设《导读》中SQL查询的结果为<10001, Jack, I’m Jack>，那么，used为这个查询结果的大小。

• type：Block的类型。包含{FREE, QUERY, RESULT, RES_CONT, RES_BEG, RES_INCOMPLETE, TABLE, INCOMPLETE}这几种类型。这里我重点讲解QUERY和RESULT，其他类型你可以自行深入了解。

• QUERY：表示这个block中存放的是查询语句。为什么要缓存查询语句呢？

在并发场景中，会存在多个会话执行同一条查询语句，因此，为了避免重复构造《导读》中所说的HashMap的Key，MySQL缓存了查询语句的Key，保证查询Query Cache的性能。

• RESULT：表示这个block中存放的是查询结果。如上图，《导读》中SQL的查询结果<10001, Jack, I’m Jack>放入block，所以，block类型为RESULT。

• n_tables：查询语句使用的表的数量。那么，block又为什么要存表的数量呢？
  因为MySQL会缓存table结构，一张table对应一个table结构，多个table结构组成一条链表，MySQL需要维护这条链表增删改查，所以，需要n_tables字段。

现在我们知道了一个query_cache_block的结构了，下面我简称block。

现在有这么一个场景：

已知一个block的大小是1KB，而《导读》中的查询语句得到的结果记录数有10w，它的大小有1MB，那么，显然一个block放不下1MB的结果，此时，MySQL会怎么做呢？

为了能够缓存1MB的查询结果，MySQL设计了一个双向链表，将多个block串联起来，1MB的数据分别放在链表中多个block里。于是，就有了下面的结构：逻辑块链表。

图中，MySQL将多个block通过一个双向链表串联起来，每个block就是我上面讲到的block结构。通过双向链表我们就可以将一条查询语句对应的结果集串联起来。

比如针对《导读》中SQL的查询结果，图中，前两个block分别存放了两个满足查询条件的结果：<10001，Jack，I’m Jack>和<10009，Lisa，I’m Lisa>。同时，两个block通过双向指针串联起来。

还是《导读》中的SQL案例，已知一个block的大小是1K，假设SQL的查询结果为<10001，Jack，I’m Jack>这一条记录，该记录的大小只有100Byte，那么，此时查询结果小于block大小，如果把这个查询结果放到1K的block里，就会浪费1024-100=924 字节的block空间。所以，为了避免block空间的浪费，MySQL又引入了一个新结构：

如上图，下面的物理块就是MySQL为了解决block空间浪费引入的新结构。该结构也是一个多block组成的双向链表。

以《导读》中的SQL为例，已知SQL查询的结果为<10001，Jack，I’m Jack>，那么，将逻辑块链表和物理块链表结合起来，这个结果在block中是如何表达的呢？

• 如上图，逻辑块链表的第一个block存放了<10001，Jack，I’m Jack>这个查询结果。
• 由于查询结果大小为100B，小于block的大小1K，所以，见上图，MySQL将逻辑块链表中的第一个block分裂，分裂出下面的两个物理块block，即红色箭头部分，将<10001，Jack，I’m Jack>这个结果放入第一个物理块中。其中，第一个物理块block大小为100B，第二个物理块block大小为924B。

讲完了query_cache_block，我想你应该对其有了较清晰的理解。但是，我在上面多次提到一个block的大小，那么，这个block的大小又是如何决定的呢？为什么block的大小是1K，而不是2K，或者3K呢？

要回答这个问题，就要涉及MySQL对block的内存管理了。MySQL为了管理好block，自己设计了一套内存管理机制，叫做query_cache_memory_bin。

下面我就详细讲讲这个query_cache_memory_bin。

Query Cache Memory Bin

MySQL将整个Query Cache划分多层大小不同的多个query_cache_memory_bin（简称bin），如下图：

说明：

• steps：为层号，如上图中，从上到下分为0、1、2、3这4层。

• bin：每一层由多个bin组成。其中，bin中包含以下几个属性：

• size：bin的大小

• free_blocks：空闲的query_cache_block链表。每个bin包含一组query_cache_block链表，即逻辑块链表和物理块链表，也就是《Query Cache Block》中我讲到的两个链表组成一组query_cache_block。

• 每层bin的个数通过下面的公式计算得到：

bin个数 = 上一层bin数量总和 + QUERY_CACHE_MEM_BIN_PARTS_INC） * QUERY_CACHE_MEM_BIN_PARTS_MUL

其中，QUERY_CACHE_MEM_BIN_PARTS_INC = 1 ，QUERY_CACHE_MEM_BIN_PARTS_MUL = 1.2

因此，如上图，得到各层的bin个数如下：

• 第0层：bin个数为1
• 第1层：bin个数为2
• 第2层：bin个数为3
• 第3层：bin个数为4
• 每层都有其固定大小。这个大小的计算公式如下：

第0层的大小 = query_cache_size >> QUERY_CACHE_MEM_BIN_FIRST_STEP_PWR2 >> QUERY_CACHE_MEM_BIN_STEP_PWR2
其余层的大小 = 上一层的大小 >> QUERY_CACHE_MEM_BIN_STEP_PWR2

其中，QUERY_CACHE_MEM_BIN_FIRST_STEP_PWR2 = 4，QUERY_CACHE_MEM_BIN_STEP_PWR2 = 2

因此，假设query_cache_size = 25600K，那么，得到计算各层的大小如下：

• 第0层：400K
• 第1层：100K
• 第2层：25K
• 第3层：6K
• 每层中的bin也有固定大小，但最小不能小于QUERY_CACHE_MIN_ALLOCATION_UNIT。这个bin的大小的计算公式采用对数逼近法如下：

bin的大小 = 层大小 / 每一层bin个数，无法整除向上取整

其中，QUERY_CACHE_MIN_ALLOCATION_UNIT = 512B

因此，如上图，得到各层bin的大小如下：

• 第0层：400K / 1 = 400K
• 第1层：100K / 2 = 50K
• 第2层：25K / 3 = 9K，从最左边的bin开始分配大小：

1. 第1个bin：9K
2. 第2个bin：8K
3. 第3个bin：8K

• 第3层：6K / 4 = 2K，从最左边的bin开始分配大小：

1. 第1个bin：2K
2. 第2个bin：2K
3. 第3个bin：1K
4. 第4个bin：1K

通过对MySQL管理Query Cache使用内存的讲解，我们应该猜到MySQL是如何给query_cache_block分配内存大小了。我以上图为例，简单说明一下：

由于每个bin中包含一组query_cache_block链表(逻辑块和物理块链表)，如果一个block大小为1K，这时，通过遍历bin找到一个大于1K的bin，然后，把该block链接到bin中的free_blocks链表就行了。具体过程，我在下面会详细讲解。

在了解了query_cache_block、query_cache_memory_bin这两种结构之后，我想你对Query Cache在处理时用到的数据结构有了较清晰的理解。那么，结合这两种数据结构，我们再看看Query Cache的几种处理场景及实现原理。

Cache写入

我们结合《导读》中的SQL，先看一下Query Cache写入的过程：

1. 结合上面HashMap的Key的结构，根据查询条件age > 20 and age < 50构造HashMap的Key：age > 20 and age < 50 + user + flag，其中flag包含了查询结果，将Key写入HashMap。如上图，Result就是这个Key。
2. 根据Result对query_cache_mem_bin的层进行二分查找，找到层大小大于Result大小的层。如上图，假设第1层为找到的目标层。
3. 根据Result从右向左遍历第1层的bin(因为每层bin大小从左向右降序排列，MySQL从小到大开始分配)，计算bin中的剩余空间大小，如果剩余空间大小大于Result大小，那么，就选择这个bin存放Result，否则，继续向左遍历，直至找到合适的bin为止。如上图灰色bin，选择了第2层的第一个bin存放Result。
4. 根据Result从左向右扫描上一步得到的bin中的free_blocks链表中的逻辑块链表，找到第一个block大小大于Result大小的block。如上图，找到第2个逻辑块block。
5. 假设Result大小为100B，第2个逻辑块block大小为1k，由于block大于Result大小，所以，分裂该逻辑块block为2个物理块block，其中，分裂后第一个物理块block大小为100B，第二个物理块block大小为924B。
6. 将Result结果写入第1个物理块block。如上图，将<10001, Jack, I’m Jack>这个Result写入灰色的物理块block。
7. 根据Result所在的block，找到对应的block_table，更新table信息到block_table中。

Cache失效

当一个表发生改变时，所有与该表相关的cached queries将失效。一个表发生变化，包含多种语句，比如 INSERT, UPDATE, DELETE, TRUNCATE TABLE,ALTER TABLE, DROP TABLE, 或者 DROP DATABASE。

Query Cache Block Table

为了能够快速定位与一张表相关的Query Cache，将这张表相关的Query Cache失效，MySQL设计一个数据结构：Query_cache_block_table。如下图：

这是一个双向链表，对于一条SQL，如果包含多表联接，那么，就可以将这条SQL对应多张表链接起来，再插入这张链表，比如，我们把user和t_user_view(访客表)联接，查询用户访客信息，那么，在图中，假设逻辑块链表存放就是联表查询的结果，因此，我们就看到user表和t_user_view都指向了该逻辑块链表。

我们来看一下这个结构包含的核心属性：

• block：与一张表相关的query_cache_block链表。如上图是user表的query_cache_block_table，该block中的block属性指向了逻辑块block链表，该链表中第1个block包含《导读》中SQL的查询结果<10001, Jack, I’m Jack>。

• table：同样以user和t_user_view(访客表)联接，查询用户访客信息为例，这时，我对这个访客信息创建了视图，那么，MySQL如何表达表的关系呢？为了解决这个问题，MySQL引入了table，通过这个table记录视图信息，视图来源表都指向这个table来表达表的关系。如上图，user和t_user_view都指向了user_view，来表示user和t_user_view(访客表)对应的视图是user_view。

和Query Cache的HashMap结构一样，为了根据表名可以快速找到对应的query_cache_block，MySQL也设计了一个表名跟query_cache_block映射的HashMap，这样，MySQL就可以根据表名快速找到query_cache_block了。

通过上面这些内容的讲解，我想你应该猜到了一张表变更时，MySQL是如何失效Query Cache的？

我们来看下上面这张图，关注红线部分：

• 根据user表找到其对应的query_cache_block_table。如上图，找到第2个table block。
• 根据query_cache_block_table中的block属性，找到table下的逻辑块链表。如上图，找到了右侧的逻辑块链表。
• 遍历逻辑块链表及每个逻辑块block下的物理块链表，释放所有block。

Cache淘汰

如果query_cache_mem_bin中没有足够空间的block存放Result，那么，将触发query_cache_mem_bin的内存淘汰机制。

这里我借用《Cache写入》的过程，一起来看看Query Cache的淘汰机制：

1. 结合上面HashMap的Key的结构，根据查询条件age > 20 and age < 50构造HashMap的Key：age > 20 and age < 50 + user + flag，其中flag包含了查询结果，将Key写入HashMap。如上图，Result就是这个Key。
2. 根据Result对query_cache_mem_bin的层进行二分查找，找到层大小大于Result大小的层。如上图，假设第1层为找到的目标层。
3. 根据Result从右向左遍历第1层的bin(因为每层bin大小从左向右降序排列，MySQL从小到大开始分配)，计算bin中的剩余空间大小，如果剩余空间大小大于Result大小，那么，就选择这个bin存放Result。如上图灰色bin，选择了第2层的第一个bin存放Result。
4. 根据Result从左向右扫描上一步得到的bin中的block链表中的逻辑块链表，找到第一个block大小大于Result大小的block。如上图，找到第2个逻辑块block。
5. 假设Result大小为100B，第2个逻辑块block大小为1k，由于block大于Result大小，所以，分裂该逻辑块block为2个物理块block，其中，分裂后第一个物理块block大小为100B，第二个物理块block大小为924B。
6. 由于第1个物理块block已经被占用，所以，MySQL不得不淘汰该block，用以放入Result，淘汰过程如下：

• 发现相邻的第2个物理块block最少使用，所以，将该物理块和第1个物理块block合并成一个新block。如上图右侧灰色block和虚线block合并成下面的一个灰色block。

7. 将Result结果写入合并后的物理块block。如上图，将<10001, Jack, I’m Jack>这个Result写入合并后的灰色block。

在Cache淘汰这个场景中，我们重点关注一下第6步，我们看下这个场景：

1. 从第1个物理块block开始扫描，合并相邻的第2个block跟第1个block为一个新block
2. 如果合并后block大小仍然不足以存放Result，继续扫描下一个block，重复第1步
3. 如果合并后block大小可以存放Result，结束扫描
4. 将Result写入合并后block

通过上面的场景描述，我们发现如果Result很大，那么，MySQL将不断扫描物理块block，然后，不停地合并block，这是不小的开销，因此，我们要尽量避免这样的开销，保证Query Cache查询的性能。

有什么办法避免这样的开销呢？

我在最后小结的时候回答一下这个问题。

小结

好了，这篇内容我讲了很多东西，现在，我们来总结一下今天讲解的内容：

1. 数据结构：讲解了Query Cache设计的数据结构：

数据结构	说明
Query_cache_block	存放了一条SQL的查询结果
Query_cache_mem_bin	query_cache_block的内存管理结构
Query_cache_block_table	一张表对应一个block_table，方便快速失效query cache

2. Query Cache处理的场景：Cache写入、Cache失效和Cache淘汰。

最后，我们再回头看一下文章开头的那个问题：10w条用户记录是否可以写入Query Cache？我的回答是：

1. 我们先对用户表的10w记录大小做个计算：
   用户表包含user_id(8)，user_name(29)，user_introduction(498)，age(3)，sex(1)这几个字段，按字段顺序累加，一条记录的长度为8+30(varchar类型长度可以多存储1或2byte)+500+3+1=542byte，那么，10w条记录最大长度为542 * 10w = 54200000byte。
   如果要将10w条记录写入Query Cache，则需要将近54200K大小的Query Cache来存储这10w条记录，而Query Cache大小默认为1M，所以，如果字段user_introduction在业务上非必须出现，请在select子句中排除该字段，减少查询结果集的大小，使结果集可以完全写入Query Cache，**这也是为什么DBA建议开发不要使用select 的原因，但是如果select 取出的字段都不大，查询结果可以完全写入Query Cache，那么，后续相同查询条件的查询性能也是会提升的，😁。

2. 调大query_cache_size这个MySQL配置参数，如果业务上一定要求select所有字段，而且内存足够用，那么，可以将query_cache_size调至可以容纳10w条用户记录，即54200K。

3. 调大query_cache_min_res_unit这个MySQL配置参数，使MySQL在第一次执行查询并写入Query Cache时，尽可能不要发生过多的bin合并，减少物理块block链表的合并开销。那么，query_cache_min_res_unit调成多少合适呢？
   这需要结合具体业务场景综合衡量，比如，在用户中心系统中，一般会有一个会员中心的功能，而这个功能中，用户查询自己的信息是一个高频的查询操作，为了保证这类操作的查询性能，我们势必会将这个查询结果，即单个用户的基本信息写入Query Cache，在我的回答的第1条中，我说过一条用户记录最大长度为542byte，结合10w条用户记录需要54200K的Query Cache，那么，设置query_cache_min_res_unit = 542byte就比较合适了。

这样，有两点好处：

1. 保证查询单个用户信息，其直接可分配的bin大小大于542byte，写入单个用户信息时可以避免了bin的合并和空间浪费。
2. 10w条用户记录写入Query Cache，虽然第一次分配缓存时，仍然需要合并bin，但是，综合单用户查询的场景，这个合并过程是可以接受的，毕竟，只会在第一次写缓存时发生bin合并，后续缓存失效后，再次分配时，可以直接取到合并后的那个bin分配给10w条记录，不会再产生bin的合并，所以，这个合并过程是可以接受的。

调大query_cache_limit这个MySQL配置参数，我在本章节中没有提到这个参数，它是用来控制Query Cache最大缓存结果集大小的，默认是1M，所以，10w条记录，建议调大这个参数到54200K。

思考题

最后，对比前面《Group By 深度优化，真是绝了！》这篇文章，发现MySQL特别喜欢自己实现内存的管理，而不用Linux内核的内存管理机制(比如：伙伴系统)，为什么呢？

The End

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作者：谦虚的小K
来源：https://juejin.cn/post/6965793803420778510