從磁盤讀取數(shù)據(jù)頁到Buffer Pool的時候，free鏈表有什么用？

1、數(shù)據(jù)庫啟動的時候，是如何初始化Buffer Pool的？

現(xiàn)在我們已經(jīng)搞明白一件事兒了，那就是數(shù)據(jù)庫的Buffer Pool到底長成個什么樣，大家想必都是理解了

其實(shí)說白了，里面就是會包含很多個緩存頁，同時每個緩存頁還有一個描述數(shù)據(jù)，也可以叫做是控制數(shù)據(jù)，但是我個人是比較傾向于叫做描述數(shù)據(jù)，或者緩存頁的元數(shù)據(jù)，都是可以的。

那么在數(shù)據(jù)庫啟動的時候，他是如何初始化Buffer Pool的呢？

其實(shí)這個也很簡單，數(shù)據(jù)庫只要一啟動，就會按照你設(shè)置的Buffer Pool大小，稍微再加大一點(diǎn)，去找操作系統(tǒng)申請一塊內(nèi)存區(qū)域，作為Buffer Pool的內(nèi)存區(qū)域。

然后當(dāng)內(nèi)存區(qū)域申請完畢之后，數(shù)據(jù)庫就會按照默認(rèn)的緩存頁的16KB的大小以及對應(yīng)的800個字節(jié)左右的描述數(shù)據(jù)的大小，在Buffer Pool中劃分出來一個一個的緩存頁和一個一個的他們對應(yīng)的描述數(shù)據(jù)。

然后當(dāng)數(shù)據(jù)庫把Buffer Pool劃分完畢之后，看起來就是之前我們看到的那張圖了，如下圖所示。

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只不過這個時候，Buffer Pool中的一個一個的緩存頁都是空的，里面什么都沒有，要等數(shù)據(jù)庫運(yùn)行起來之后，當(dāng)我們要對數(shù)據(jù)執(zhí)行增刪改查的操作的時候，才會把數(shù)據(jù)對應(yīng)的頁從磁盤文件里讀取出來，放入Buffer Pool中的緩存頁中。

2、我們怎么知道哪些緩存頁是空閑的呢？

接著我們來看下一個問題，當(dāng)你的數(shù)據(jù)庫運(yùn)行起來之后，你肯定會不停的執(zhí)行增刪改查的操作，此時就需要不停的從磁盤上讀取一個一個的數(shù)據(jù)頁放入Buffer Pool中的對應(yīng)的緩存頁里去，把數(shù)據(jù)緩存起來，那么以后就可以對這個數(shù)據(jù)在內(nèi)存里執(zhí)行增刪改查了。

但是此時在從磁盤上讀取數(shù)據(jù)頁放入Buffer Pool中的緩存頁的時候，必然涉及到一個問題，那就是哪些緩存頁是空閑的？

因?yàn)槟J(rèn)情況下磁盤上的數(shù)據(jù)頁和緩存頁是一 一對應(yīng)起來的，都是16KB，一個數(shù)據(jù)頁對應(yīng)一個緩存頁。

所以我們必須要知道Buffer Pool中哪些緩存頁是空閑的狀態(tài)。

所以數(shù)據(jù)庫會為Buffer Pool設(shè)計(jì)一個free鏈表，他是一個雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這個free鏈表里，每個節(jié)點(diǎn)就是一個空閑的緩存頁的描述數(shù)據(jù)塊的地址，也就是說，只要你一個緩存頁是空閑的，那么他的描述數(shù)據(jù)塊就會被放入這個free鏈表中。

剛開始數(shù)據(jù)庫啟動的時候，可能所有的緩存頁都是空閑的，因?yàn)榇藭r可能是一個空的數(shù)據(jù)庫，一條數(shù)據(jù)都沒有，所以此時所有緩存頁的描述數(shù)據(jù)塊，都會被放入這個free鏈表中

我們看下圖所示

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大家可以看到上面出現(xiàn)了一個free鏈表，這個free鏈表里面就是各個緩存頁的描述數(shù)據(jù)塊，只要緩存頁是空閑的，那么他們對應(yīng)的描述數(shù)據(jù)塊就會加入到這個free鏈表中，每個節(jié)點(diǎn)都會雙向鏈接自己的前后節(jié)點(diǎn)，組成一個雙向鏈表。

除此之外，這個free鏈表有一個基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，他會引用鏈表的頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)，里面還存儲了鏈表中有多少個描述數(shù)據(jù)塊的節(jié)點(diǎn)，也就是有多少個空閑的緩存頁。

3、free鏈表占用多少內(nèi)存空間？

可能有的人會以為這個描述數(shù)據(jù)塊，在Buffer Pool里有一份，在free鏈表里也有一份，好像在內(nèi)存里有兩個一模一樣的描述數(shù)據(jù)塊，是么？

其實(shí)這么想就大錯特錯了。

這里要給大家講明白一點(diǎn)，這個free鏈表，他本身其實(shí)就是由Buffer Pool里的描述數(shù)據(jù)塊組成的，你可以認(rèn)為是每個描述數(shù)據(jù)塊里都有兩個指針，一個是free_pre，一個是free_next，分別指向自己的上一個free鏈表的節(jié)點(diǎn)，以及下一個free鏈表的節(jié)點(diǎn)。

通過Buffer Pool中的描述數(shù)據(jù)塊的free_pre和free_next兩個指針，就可以把所有的描述數(shù)據(jù)塊串成一個free鏈表，大家可以自己去思考一下這個問題。上面為了畫圖需要，所以把描述數(shù)據(jù)塊單獨(dú)畫了一份出來，表示他們之間的指針引用關(guān)系。

對于free鏈表而言，只有一個基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)是不屬于Buffer Pool的，他是40字節(jié)大小的一個節(jié)點(diǎn)，里面就存放了free鏈表的頭節(jié)點(diǎn)的地址，尾節(jié)點(diǎn)的地址，還有free鏈表里當(dāng)前有多少個節(jié)點(diǎn)。

4、如何將磁盤上的頁讀取到Buffer Pool的緩存頁中去？

好了，現(xiàn)在我們可以來解答這一篇文章的最后一個問題了，當(dāng)你需要把磁盤上的數(shù)據(jù)頁讀取到Buffer Pool中的緩存頁里去的時候，是怎么做到的？

其實(shí)有了free鏈表之后，這個問題就很簡單了。

首先，我們需要從free鏈表里獲取一個描述數(shù)據(jù)塊，然后就可以對應(yīng)的獲取到這個描述數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的空閑緩存頁，我們看下圖所示。

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接著我們就可以把磁盤上的數(shù)據(jù)頁讀取到對應(yīng)的緩存頁里去，同時把相關(guān)的一些描述數(shù)據(jù)寫入緩存頁的描述數(shù)據(jù)塊里去，比如這個數(shù)據(jù)頁所屬的表空間之類的信息，最后把那個描述數(shù)據(jù)塊從free鏈表里去除就可以了，如下圖所示。

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可能有朋友還是疑惑，這個描述數(shù)據(jù)塊是怎么從free鏈表里移除的呢？

簡單，我給你一段偽代碼演示一下。

假設(shè)有一個描述數(shù)據(jù)塊02，他的上一個節(jié)點(diǎn)是描述數(shù)據(jù)塊01，下一個節(jié)點(diǎn)是描述數(shù)據(jù)塊03，那么他在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下。

現(xiàn)在假設(shè)block03被使用了，要從free鏈表中移除，那么此時直接就可以把block02節(jié)點(diǎn)的free_next設(shè)置為null就可以了，block03就從free鏈表里失去引用關(guān)系了，如下所示。

想必看到這里，大家就完全明白，磁盤中的數(shù)據(jù)頁是如何讀取到Buffer Pool中的緩存頁里去的了，而且這個過程中free鏈表是用來干什么的。

5、你怎么知道數(shù)據(jù)頁有沒有被緩存？

接著我們來看下一個問題：你怎么知道一個數(shù)據(jù)頁有沒有被緩存呢？

我們在執(zhí)行增刪改查的時候，肯定是先看看這個數(shù)據(jù)頁有沒有被緩存，如果沒被緩存就走上面的邏輯，從free鏈表中找到一個空閑的緩存頁，從磁盤上讀取數(shù)據(jù)頁寫入緩存頁，寫入描述數(shù)據(jù)，從free鏈表中移除這個描述數(shù)據(jù)塊。

但是如果數(shù)據(jù)頁已經(jīng)被緩存了，那么就會直接使用了。

所以其實(shí)數(shù)據(jù)庫還會有一個哈希表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他會用表空間號+數(shù)據(jù)頁號，作為一個key，然后緩存頁的地址作為value。

當(dāng)你要使用一個數(shù)據(jù)頁的時候，通過“表空間號+數(shù)據(jù)頁號”作為key去這個哈希表里查一下，如果沒有就讀取數(shù)據(jù)頁，如果已經(jīng)有了，就說明數(shù)據(jù)頁已經(jīng)被緩存了。

我們看下圖，又引入了一個數(shù)據(jù)頁緩存哈希表的結(jié)構(gòu)。

也就是說，每次你讀取一個數(shù)據(jù)頁到緩存之后，都會在這個哈希表中寫入一個key-value對，key就是表空間號+數(shù)據(jù)頁號，value就是緩存頁的地址，那么下次如果你再使用這個數(shù)據(jù)頁，就可以從哈希表里直接讀取出來他已經(jīng)被放入一個緩存頁了。

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6、今日思考題

今天我們給大家留一個思考題，大家去想一個問題，我們要取一個數(shù)據(jù)的時候，必然會取他所屬的一個數(shù)據(jù)頁，而且這個數(shù)據(jù)必然是屬于一個表的，所以我們在上面初步引入了一個表空間的概念

也就是說我們寫SQL的時候，只知道表+行的概念，但是在MySQL內(nèi)部操作的時候，是表空間+數(shù)據(jù)頁的概念。

那么大家覺得這兩者之間的區(qū)別是什么？他們之間的聯(lián)系是什么？

請大家積極在評論區(qū)寫下你的思考，多跟其他同學(xué)在評論區(qū)中交流。

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