InnoDB页压缩技术
Ⅰ、想起一个报错
1.1 创建表报错
(root@localhost) [(none)]> create tablespace ger_space add datafile 'ger_space.ibd' file_block_size=8192;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)
(root@localhost) [(none)]> create database test;
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
(root@localhost) [(none)]> create table test_ger(a int) tablespace=ger_space;
(root@localhost) [(none)]> use test;
Database changed
(root@localhost) [test]> create table test_ger(a int) tablespace=ger_space;
ERROR 1478 (HY000): InnoDB: Tablespace `ger_space` uses block size 8192 and cannot contain a table with physical page size 16384
2.1 解决
(root@localhost) [test]> create table test_ger(a int) tablespace=ger_space row_format=compressed, key_block_size=8;
Query OK, 0 rows affected (0.14 sec)
amazing!!!(～﹃～)~zZ
这里用到一个压缩page的技术，本章我们讨论一下InnoDB的页压缩
Ⅱ、传统压缩方式(from 5.5)
2.1 原理——伙伴算法
- 磁盘中存放压缩页（row_format=compressed），假设key_block_size=8K，Buffer Pool的页大小是16K
- 向Free List中申请空闲的页，如果没有空闲页，则向LRU List申请页，如果LRU满了，则找LRU中最后的一个页，如果最后的页是脏页，则做flush操作，最后得到一个空白的页（16K）
- 该16k的空白页，就给8K的压缩页使用，这样就多出一个8K的空间 ，该空间会移到8K的Free List中去
- 如果有一个4K的压缩页，就把8K的Free list中的空白页给他用，然后多余的4K的空间移到4K的Free List中去
注意点：
- 这种压缩是基于页的，每个表的页大小可以不同，压缩算法是L777
- 当用户获取数据时，如果压缩的页没有在Innodb_Buffer_Pool缓冲池里，那么会从磁盘加载进去，并且会在Innodb_Buffer_Pool缓冲池里开辟一个新的未压缩的16KB的数据页来解压缩，为了减少磁盘I/O以及对页的解压操作(更快地查询)，在缓冲池里同时存在着被压缩的和未压缩的页
- 为了给其他需要的数据页腾出空间，缓冲池里会把未压缩的数据页踢出去，而保留压缩的页在内存中，如果未压缩的页在一段时间内没有被访问，那么会直接刷入磁盘中，因此缓冲池中可能有压缩和未压缩的页，也可能只有压缩页
- 压缩页保留的原因是为了在更新数据的时候，将redo添加到压缩页的空闲部分，如果要刷回磁盘，可以直接将该压缩页刷回去，如果该页被写满，则做一次reorganize操作（在此之前也要做解压），真的写满了才做分裂
缺点：
- 压缩页占用了Buffer Pool的空间，对于热点数据来说，相当于内存小了，可能造成性能下降（热点空间变小）
- 所以在开启了压缩后，Buffer Pool的空间要相应增大
- 如果启用压缩后节省的磁盘IO能够抵消掉Buffer Pool空间变小所带来的性能下降，那整体性能还是会上涨，所以Buffer Pool要尽可能大
2.2 玩两手
直接创建
(root@localhost) [test]> create table comps_test(a int) row_format=compressed, key_block_size=4;
Query OK, 0 rows affected (0.04 sec)
对已存在的表启用压缩，并且页大小为4k，
alter table xxxxx
engine=innodb
row_format=compressed,key_block_size=4
可以设置为1 2 4 8 16
操作须知：
指定row_format=compressed，则可忽略key_block_size的值，这时使用默认innodb页的一半，即8kb
指定key_block_size的值，则可忽略row_format=compressed，会自动启用压缩
0代表默认压缩页的值，Innodb页的一半
key_block_size的值只能小于等于innodb page size，若指定了一个大于innodb page size的值，mysql会忽略这个值然后产生一个警告，这时key_block_size的值是Innodb页的一半
若设置了innodb_strict_mode=ON，那么指定一个不合法的key_block_size的值是返回报错
tips：
虽然SQL语法中写的是row_format=compressed，但是压缩是针对页的，而不是记录，即读页的时候解压，写页的时候压缩，并不会在读取或写入单个记录（row）时就进行解压或压缩操作
2.3 细说key_block_size
- key_block_size的可选项是1k，2k，4k，8k，16k（是页大小，不是比例）
- 不是将原来innodb_page_size页大小的数据压缩成key_block_size的页大小，因为有些数据可能不能压缩，或者压缩不到那么小
- 压缩是将原来的页的数据通过压缩算法压缩到一定的大小，然后用key_block_size大小的页去存放
- 比如原来的innodb_page_size大小是16K，现在的key_block_size设置为8K,某表的数据大小是24k,原先使用2个16k的页存放,压缩后数据从24k变为18k，由于现在的key_block_size=8k，所以需要3个8K的页存放压缩后的18k数据，多余的空间可以留给下次插入或者更新
- 压缩比和设置的key_block_size没有关系，压缩比看数据本身和算法，key_block_size仅仅是设置存放压缩数据的页大小
tips：
不解压也能插入数据，通过在剩余空间直接存放redo log，然后页空间存放满后，再解压，利用redo log更新完成后，最后再压缩存放（此时就没有redo log 了）以此来减少解压和压缩的次数
2.4 重点须知
并不是key_block_size越小，压缩比越高，只是页的大小发生了修改
压缩过程，16k的页压8k，先判断能不能压，可以就存为8k，压完大于8k，比如12k，这时候就会存为两个8k
16k压到8k成功率在80%~90%，但是再压就不能保证了
2.5 查看缓冲池中的压缩页
(root@localhost) [(none)]> SELECT
-> table_name,
-> space,
-> page_number,
-> index_name,
-> compressed,
-> compressed_size
-> FROM
-> information_schema.innodb_buffer_page_lru
-> WHERE
-> compressed = 'yes'
-> LIMIT 5;
+------------+-------+-------------+------------+------------+-----------------+
| table_name | space | page_number | index_name | compressed | compressed_size |
+------------+-------+-------------+------------+------------+-----------------+
| NULL | 168 | 502 | NULL | YES | 4096 |
| NULL | 168 | 505 | NULL | YES | 4096 |
| NULL | 168 | 508 | NULL | YES | 4096 |
| NULL | 168 | 510 | NULL | YES | 4096 |
| NULL | 168 | 513 | NULL | YES | 4096 |
+------------+-------+-------------+------------+------------+-----------------+
5 rows in set (0.00 sec)
(root@localhost) [(none)]> SELECT
-> table_id, name, space, row_format, zip_page_size
-> FROM
-> information_schema.INNODB_SYS_TABLES
-> WHERE
-> space = 168;
+----------+----------------+-------+------------+---------------+
| table_id | name | space | row_format | zip_page_size |
+----------+----------------+-------+------------+---------------+
| 173 | sbtest/sbtest1 | 168 | Compressed | 4096 |
+----------+----------------+-------+------------+---------------+
1 row in set (0.00 sec)
(root@localhost) [(none)]> show create table sbtest.sbtest1\G
*************************** 1. row ***************************
Table: sbtest1
Create Table: CREATE TABLE `sbtest1` (
`id` int(10) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`k` int(10) unsigned NOT NULL DEFAULT '0',
`c` char(120) NOT NULL DEFAULT '',
`pad` char(60) NOT NULL DEFAULT '',
PRIMARY KEY (`id`),
KEY `k_1` (`k`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=10000001 DEFAULT CHARSET=latin1 MAX_ROWS=1000000 ROW_FORMAT=COMPRESSED KEY_BLOCK_SIZE=4
1 row in set (0.00 sec)
一路摸下来，果然是个压缩表
再看下压缩页在bp中的存储
(root@localhost) [(none)]> show engine innodb status\G
...
----------------------
BUFFER POOL AND MEMORY
----------------------
Total large memory allocated 137428992
Dictionary memory allocated 127372
Buffer pool size 8191
Free buffers 7759
Database pages 632
Old database pages 253
Modified db pages 0
Pending reads 0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 0, not young 0
0.00 youngs/s, 0.00 non-youngs/s
Pages read 597, created 35, written 42
0.00 reads/s, 0.00 creates/s, 0.00 writes/s
No buffer pool page gets since the last printout
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s, Random read ahead 0.00/s
LRU len: 632, unzip_LRU len: 4 压缩页在bp中的长度是4
I/O sum[0]:cur[0], unzip sum[0]:cur[0]
...
2.6 查看压缩比
查看压缩比，看information_schema.innodb_cmp表
这个表里面的数据是累加的，是全局信息，没法对应到某一张表，查它之前先查另一张表来清空此表
select * from information_schema.innodb_cmp_reset;
把innodb_cmp表中的数据复制过来，并清空innodb_cmp，此处不展示结果
玩起来了
(root@localhost) [emp]> create table emp_comp like emp;
Query OK, 0 rows affected (0.26 sec)
(root@localhost) [emp]> alter table emp_comp row_format=compressed,key_block_size=4;
Query OK, 0 rows affected (0.23 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0
(root@localhost) [emp]> show create table emp_comp\G
*************************** 1. row ***************************
Table: emp_comp
Create Table: CREATE TABLE `emp_comp` (
`emp_no` int(11) NOT NULL,
`birth_date` date NOT NULL,
`first_name` varchar(14) NOT NULL,
`last_name` varchar(16) NOT NULL,
`gender` enum('M','F') NOT NULL,
`hire_date` date NOT NULL,
PRIMARY KEY (`emp_no`),
KEY `ix_firstname` (`first_name`),
KEY `ix_3` (`emp_no`,`first_name`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 ROW_FORMAT=COMPRESSED KEY_BLOCK_SIZE=4
1 row in set (0.04 sec)
(root@localhost) [emp]> insert into emp_comp select * from emp;
Query OK, 300024 rows affected (23.13 sec)
Records: 300024 Duplicates: 0 Warnings: 0
看压缩比咯
(root@localhost) [emp]> select * from information_schema.innodb_cmp;
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| page_size | compress_ops | compress_ops_ok | compress_time | uncompress_ops | uncompress_time |
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| 1024 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2048 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 4096 | 34296 | 27184 | 9 | 7743 | 0 |
| 8192 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 16384 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
5 rows in set (0.69 sec)
(root@localhost) [emp]> select 27184/34296; # compress_ops_ok/compress_ops
+-------------+
| 27184/34296 |
+-------------+
| 0.7926 |
+-------------+
1 row in set (0.11 sec)
压缩比为79.26%
看下物理存储
[root@VM_0_5_centos emp]# ll -h *.ibd
-rw-r----- 1 mysql mysql 40M Feb 27 19:01 emp.ibd
-rw-r----- 1 mysql mysql 20M Feb 27 19:36 emp_comp.ibd
能看出来表空间小了很多，但是不是79.26%，这里有时间需要理解一下
打开一个参数，可以看到每个表的压缩情况，此参数默认不开，会影响性能
(root@localhost) [emp]> set global innodb_cmp_per_index_enabled=1;
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)
重复上面的测试，这次压到2k，过程省略只看结果
(root@localhost) [emp]> select * from information_schema.innodb_cmp;
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| page_size | compress_ops | compress_ops_ok | compress_time | uncompress_ops | uncompress_time |
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| 1024 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2048 | 68793 | 52455 | 12 | 18353 | 1 |
| 4096 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 8192 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 16384 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
+-----------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
5 rows in set (0.00 sec)
(root@localhost) [emp]> select * from information_schema.innodb_cmp_per_index;
+---------------+------------+--------------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| database_name | table_name | index_name | compress_ops | compress_ops_ok | compress_time | uncompress_ops | uncompress_time |
+---------------+------------+--------------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
| emp | emp_comp | PRIMARY | 34676 | 23729 | 4 | 11053 | 0 |
| emp | emp_comp | ix_firstname | 20958 | 18349 | 5 | 4384 | 0 |
| emp | emp_comp | ix_3 | 13159 | 10377 | 2 | 2916 | 0 |
+---------------+------------+--------------+--------------+-----------------+---------------+----------------+-----------------+
3 rows in set (0.00 sec)
(root@localhost) [emp]> select 52455/68793;
+-------------+
| 52455/68793 |
+-------------+
| 0.7625 |
+-------------+
1 row in set (0.06 sec)
(root@localhost) [emp]> select (23729+18349+10377)/(34676+20958+13159);
+-----------------------------------------+
| (23729+18349+10377)/(34676+20958+13159) |
+-----------------------------------------+
| 0.7625 |
+-----------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
可以直接看到emp.emp_comp这个表的压缩比(innodb索引即数据)
当只有一个表的时候innodb_cmp等于innodb_cmp_per_index
2.6 压缩后的存储和性能
一个问题，压缩时将key_block_size设置为innodb_page_size有没有意义
答：有意义，key_block_size的设置不影响压缩本身(只和数据本身及压缩算法有关)，只是确定压缩后的数据存放的页大小，varchar、text等数据类型这么压效果还是很明显的
压缩后的存储和性能呢？
github放图好麻烦，大概弄个差不多的图将就下
结论：
- inodb_page_size=16k的数据设置key_block_size=16是可以压缩的，且效果比较明显
- 并不是key_block_size设置的越小，压缩率就越高，上图中8K和4K的压缩率几乎一样
- 在启用压缩后，16K和8K的插入性能要好于原来未压缩的插入性能，所以启用了压缩，性能不一定会变差
- 在I/O Bound（IO密集型）的业务场景下，减少I/O操作的次数对性能提升比较明显
- key_block_size的设置的值（经验值）通常为innodb_page_size的1/2
Ⅲ、transparent page compression(from 5.7)
3.1 先玩
(root@localhost) [test]> create table trans_test1(a int) compression='zlib';
Query OK, 0 rows affected, 1 warning (0.04 sec)
(root@localhost) [test]> create table trans_test2(a int) compression='lz4';
Query OK, 0 rows affected, 1 warning (0.06 sec)
(root@localhost) [test]> alter table trans_test1 compression='lz4';
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0
alter table会很快，因为它不会真的改，只是下次压缩的时候才会用，不会重新压，如果非要马上生效则需要optimize
(root@localhost) [test]> optimize table trans_test1;
+------------------+----------+----------+-------------------------------------------------------------------+
| Table | Op | Msg_type | Msg_text |
+------------------+----------+----------+-------------------------------------------------------------------+
| test.trans_test1 | optimize | note | Table does not support optimize, doing recreate + analyze instead |
| test.trans_test1 | optimize | status | OK |
+------------------+----------+----------+-------------------------------------------------------------------+
2 rows in set, 1 warning (0.23 sec)
(root@localhost) [test]> show warnings;
+---------+------+---------------------------------------------------------------------------------------------+
| Level | Code | Message |
+---------+------+---------------------------------------------------------------------------------------------+
| Warning | 138 | Punch hole is not supported by the file system. Compression disabled for 'test/trans_test1' |
+---------+------+---------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
错误日志中有下面这段：
2017-04-22T19:20:14.168298+8:00 0 [Note] InnoDB: PUNCH HOLE support not available
换言之，5.7现在还不能用这个功能，二进制包编译的时候没把PUNCH HOLE编译进去
怎么解决？
自己编译源码，带上PUNCH HOLE，或者用percona
MySQL8.0的时候就完美availabe，可以去看看，亲测
create table a ( a int ) compression='lz4';
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)
tips：
5.7.19二进制包已经把做进去了，超赞
经测试，貌似ext3不支持punch hole
lz4和zlib什么区别？
lz4更快，zlib压缩比更高
通常选择lz4，更快，也能压到一半，够用了，hadoop平台很多数据库默认就用lz4
看表空间的文件系统相关内容：
(root@localhost) [(none)]> SELECT
-> space, page_size, fs_block_size, file_size, allocated_size
-> FROM
-> information_schema.INNODB_SYS_TABLESPACES
-> LIMIT 5;
+-------+-----------+---------------+-----------+----------------+
| space | page_size | fs_block_size | file_size | allocated_size |
+-------+-----------+---------------+-----------+----------------+
| 2 | 16384 | 4096 | 98304 | 102400 |
| 3 | 16384 | 4096 | 98304 | 102400 |
| 4 | 16384 | 4096 | 9437184 | 9453568 |
| 5 | 16384 | 4096 | 114688 | 118784 |
| 6 | 16384 | 4096 | 147456 | 151552 |
+-------+-----------+---------------+-----------+----------------+
5 rows in set (0.00 sec)
表空间id page大小 文件系统块大小 文件大小 文件实际分配大小
3.2 再看原理(Hole Punch Size)
细心的朋友会发现，以上整个过程并未指定页大小
这里是是使用了文件系统（filesystem）层中稀疏文件的特性，来达到压缩的目的(文件系统空洞)
1、文件的大小与占用空间：
[root@VM_0_5_centos ~]# dd of=spare-file bs=1k seek=5120 count=0 #创建数据全为0的临时文件
0+0 records in
0+0 records out
0 bytes (0 B) copied, 4.1441e-05 s, 0.0 kB/s
[root@VM_0_5_centos ~]# ls -lh spare-file
-rw-r--r-- 1 root root 5.0M Feb 28 10:53 spare-file #文件大小5M
[root@VM_0_5_centos ~]# du --block-size=1 spare-file
0 spare-file #文件占用空间0M
文件中数据连续为0的部分不占用磁盘空间
2、文件系统的空洞特性 ：
- 一个16k的页，前面数据占了4k，后面填0，被填充的12K的空间，可以提供给后序的插入，更新等使用
- 从innodb的角度看还是16K的页大小，只是文件系统知道该页只需要4K就能够存储（对innodb是透明的）
- SpaceID和PageNumber的读取方式没有改变（细节由文件系统屏蔽）
fopen(f,o_direct|o_punch_hole)
fwrite(f,page) 这时候这个page在磁盘上就是4k的大小
3、TPC过程如下：
对一个页写入磁盘之前先在内存进行压缩，压缩完，前面一部分是压缩的数据，后面填0，再调用fwrite，如果开了punch hole,这时候在磁盘上就实现了压缩
压缩大小是根据文件系统的块大小进行对齐，默认4k，所以16k只能压缩成4，8，16，如果压缩完是6k，那就占用8k
4、新老压缩算法对比：
-
TPC是调用文件系统层的punch hole，只是写入之前先压缩填0，简洁高效；老的压缩需要指定key_block_size，老算法数据在bp中会占两个空间，一种是压缩的版本，一种是非压缩的版本，更新一个page，两种page都要更新，需要额外开销，较复杂，所以性能时好时坏
-
TPC的情况下disk每个页大小16k，实际上可能只有4k，8k或者12k，管理依然根据16k来管理
-
TPC的情况下，在bp里面一个disk page对应一个16k的page，因为在第一次读取的时候从磁盘上读(space，page_no)，读完解压，解压完肯定是16k的，在bp里面就只占用一个空间
3.3 性能相关问题
官方测试：
122G，ssd跑ext4
老算法压缩后，storage减小40%，QPS下降20%，还能接受，1w3降到1w出头，最重要的还是sql的性能
新算法，storge减小40%不到，QPS涨到了1w8，提升了30%，读一个块的大小，变小，节省了io操作的时间，cpu的时间在第一次读取的时候做一次解压，写入的时候做一次压缩，并不是每写一条记录压缩解压。
装载测试：
老算法导入速度慢了50%，新算法和不压缩差不多