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如何避免MySQL使用Linux的SWAP分区

Linux有很多很好的内存、IO调度机制,但是并不会适用于所有场景。对于DBA来说Linux比较让人头疼的一个地方是,它不会因为mysql很重要就避免将分配给MySQL的地址空间映射到swap上。对于频繁进行读写操作的系统而言,数据看似在内存而实际上在磁盘是非常糟糕的,响应时间的增长很可能直接拖垮整个系统。这篇blog主要讲讲我们作为DBA,怎样尽量避免MySQL惨遭swap的毒手。

首先我们要了解点基础的东西,比如说为什么会产生swap。假设我们的物理内存是16G,swap是4G。如果MySQL本身已经占用了12G物理内存,而同时其他程序或者系统模块又需要6G内存,这时候操作系统就可能把MySQL所拥有的一部分地址空间映射到swap上去。

cp一个大文件,或用mysqldump导出一个很大的数据库的时候,文件系统往往会向Linux申请大量的内存作为cache,一不小心就会导致L使用swap。这个情景比较常见,以下是最简单的三个调整方法:

① /proc/sys/vm/swappiness的内容改成0(临时),/etc/sysctl.conf上添加vm.swappiness=0(永久)
这个参数决定了Linux是倾向于使用swap,还是倾向于释放文件系统cache。在内存紧张的情况下,数值越低越倾向于释放文件系统cache。
当然,这个参数只能减少使用swap的概率,并不能避免Linux使用swap。

② 修改MySQL的配置参数innodb_flush_method,开启O_DIRECT模式。
这种情况下,InnoDB的buffer pool会直接绕过文件系统cache来访问磁盘,但是redo log依旧会使用文件系统cache。值得注意的是,Redo log是覆写模式的,即使使用了文件系统的cache,也不会占用太多。

③ 添加MySQL的配置参数memlock
这个参数会强迫mysqld进程的地址空间一直被锁定在物理内存上,对于os来说是非常霸道的一个要求。必须要用root帐号来启动MySQL才能生效。

还有一个比较复杂的方法,指定MySQL使用大页内存(Large Page)。Linux上的大页内存是不会被换出物理内存的,和memlock有异曲同工之妙。

以上介绍了MySQL如何避免使用swap的方法。下面需要补充一下原理和实现机制,对于Linux api不感兴趣的同学可以直接跳过。

一、操作系统设置swap的目的

程序运行的一个必要条件就是足够的内存,而内存往往是系统里面比较紧张的一种资源。为了满足更多程序的要求,操作系统虚拟了一部分内存地址,并将之映射到swap上。对于程序来说,它只知道操作系统给自己分配了内存地址,但并不清楚这些内存地址到底映射到物理内存还是swap。

物理内存和swap在功能上是一样的,只是因为物理存储元件的不同(内存和磁盘),性能上有很大的差别。操作系统会根据程序使用内存的特点进行换入和换出,尽可能地把物理内存留给最需要它的程序。但是这种调度是按照预先设定的某种规则的,并不能完全符合程序的需要。一些特殊的程序(比如MySQL)希望自己的数据永远寄存在物理内存里,以便提供更高的性能。于是操作系统就设置了几个api,以便为调用者提供“特殊服务”。

二、Linux提供的几个api

1、mlockall()和munlockall()
这一对函数,可以让调用者的地址空间常驻物理内存,也可以在需要的时候将此特权取消。mlockall()的flag位可以是MCL_CURRENT和MCL_FUTURE的任意组合,分别代表了“保持已分配的地址空间常驻物理内存”和“保持未来分配的地址空间常驻物理内存”。对于Linux来说,这对函数是非常霸道的,只有root用户才有权限调用。

2、shmget()和shmat()
这一对函数,可以向操作系统申请使用大页内存(Large Page)。大页内存的特点是预分配和永驻物理内存,因为使用了共享内存段的方式,page table有可能会比传统的小页分配方式更小。对于多进程共享内存的程序(比如ORACLE),大页内存能够节省很多page table开销;而对于MySQL来说,性能和资源开销都没有显著变化,好处就在于减少了内存地址被映射到swap上的可能。至于为什么是减少,而不是完全避免,之后再讲解。

3、O_DIRECT和posix_memalign()
以上两个方法都不会减少内存的使用量,调用者的本意是获取更高的系统特权,而不是节约系统资源。O_DIRECT是一种更加理想化的方式,通过避免double buffer,节省了文件系统cache的开销,最终减少swap的使用率。O_DIRECT是Linux IO调度相关的标志,在open函数里面调用。通过O_DIRECT标志打开的文件,读写都不会用到文件系统的cache。传统的数据库(ORACLE、MySQL)基本都有O_DIRECT相关的开关,在提高性能的同时,也减少了内存的使用。至于posix_memalign(),是用来申请对齐的内存地址的。只有用posix_memalign()申请的内存地址,才能用来读写O_DIRECT模式下的文件描述符。

4、madvise()和fadvise()
这对函数也是比较温和的,可以将调用者对数据访问模式的预期传递给Linux,以期得到更好的性能。
我们比较感兴趣的是MADV_DONTNEED和FADV_NOREUSE这两个flag。前者会建议Linux释放指定的内存区域,而后者会建议文件系统释放指定文件所占用的cache。

三、MySQL内存使用相关的一些代码

1、memlock
在MySQL的源码目录里面查询memlock,可以知道这个参数的作用是使MySQL调用mlockall()。在源码里面匹配可以得知NDB、MyISAM和mysqld都调用了mlockall()。NDB是可以独立于MySQL而存在的存储引擎,此处按下不表。mysqld调用mlockall()的方式有点出乎意料,在init_server_components()函数里传给mlockall()的flag是MCL_CURRENT,也就是说之后申请的内存一概不用锁住。再看看MyISAM的调用顺序是:mlockall() <- lock_memory() <- mi_repair(),MyISAM只有修复的时候会调用mlockall()函数。

2、large-pages
根据Linux的内核文档,大页内存有两种方法可以用到:一种是创建hugetlb类型的文件,并将它mmap到程序的内存地址里面,然后进行正常的读写操作。另外一种是之前说到的shmget()+shmat(),也正是MySQL采用的方式。在MySQL的源码目录里面匹配shmget,可以发现BDB、NDB、InnoDB、MyISAM都调用了这个函数。接着看一下比较常用的InnoDB和MyISAM引擎。

在InnoDB里面可以找到os_mem_alloc_large()调用了shmget(),而调用os_mem_alloc_large()的函数只有buf_pool_init()——InnoDB Buffer Pool的初始化函数。根据观察得到的结论是,InnoDB会根据配置参数在Buffer Pool里面使用大页内存,Redo log貌似就没有这个待遇了。

对于MyISAM,在storage层级的代码里面找不到对shmget()的直接调用。这是因为MyISAM是MySQL的原生存储引擎,很多函数存放在上一层的mysys目录里面。通过搜索shmget(),我们可以找到MyISAM的调用顺序是这样的:shmget() <- my_large_malloc_int() <- my_large_malloc() <- init_key_cache()。也就是说MyISAM只有索引缓存用到了大页内存,这是很容易理解,因为MyISAM的数据是直接扔给文件系统做缓存的,没法使用大页内存。

3、innodb_flush_method
O_DIRECT是BDB、NDB、InnoDB特有的参数,在这里只讨论InnoDB这个比较常见的引擎。在InnoDB的源码目录里面匹配O_DIRECT,很容易找到一个叫做os_file_set_nocache()的函数,而这个函数作用是将文件的打开方式改为O_DIRECT模式。再跟踪一下,会发现只有os_file_create()函数调用了os_file_set_nocache()。虽然函数名里面还有create,实际上os_file_create()会根据传入参数的不同,选择打开或者新建一个文件。同时os_file_create()还会根据MySQL的配置,来调用os_file_set_nocache()关闭文件系统的相应cache。在os_file_create()函数里面有如下一段代码:

/* We disable OS caching (O_DIRECT) only on data files */
if (type != OS_LOG_FILE &&
srv_unix_file_flush_method == SRV_UNIX_O_DIRECT)
{
os_file_set_nocache(file, name, mode_str);
}

这段代码的意思是,只有InnoDB的数据文件有资格使用O_DIRECT模式,Redo log是不能使用的。以上的分析基于5.0.85版本的原版MySQL,InnoDB是Innobase。版本不同情况下可能会有一些出入,欢迎参与讨论。

参考文献:
Virtual memory@wiki
All about Linux swap space
HugeTLB – Large Page Support in the Linux Kernel
Page table@wiki

本文来自:淘宝数据库技术团队

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