MySQL查询缓存详解

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缓存是一个有效且实用的系统性能优化的手段，不论是操作系统还是各种软件和网站或多或少都用到了缓存。

然而，有经验的 DBA 都建议生产环境中把 MySQL 自带的 Query Cache（查询缓存）给关掉。而且，从 MySQL 5.7.20 开始，就已经默认弃用查询缓存了。在 MySQL 8.0 及之后，更是直接删除了查询缓存的功能。

这又是为什么呢？查询缓存真就这么鸡肋么?

带着如下几个问题，我们正式进入本文。

MySQL 查询缓存是什么？适用范围？
MySQL 缓存规则是什么？
MySQL 缓存的优缺点是什么？
MySQL 缓存对性能有什么影响？

MySQL 查询缓存介绍

MySQL 体系架构如下图所示：

为了提高完全相同的查询语句的响应速度，MySQL Server 会对查询语句进行 Hash 计算得到一个 Hash 值。MySQL Server 不会对 SQL 做任何处理，SQL 必须完全一致 Hash 值才会一样。得到 Hash 值之后，通过该 Hash 值到查询缓存中匹配该查询的结果。

如果匹配（命中），则将查询的结果集直接返回给客户端，不必再解析、执行查询。
如果没有匹配（未命中），则将 Hash 值和结果集保存在查询缓存中，以便以后使用。

也就是说，一个查询语句（select）到了 MySQL Server 之后，会先到查询缓存看看，如果曾经执行过的话，就直接返回结果集给客户端。

MySQL 查询缓存管理和配置

通过 show variables like '%query_cache%'命令可以查看查询缓存相关的信息。

8.0 版本之前的话，打印的信息可能是下面这样的：

mysql> show variables like '%query_cache%';
+------------------------------+---------+
| Variable_name                | Value   |
+------------------------------+---------+
| have_query_cache             | YES     |
| query_cache_limit            | 1048576 |
| query_cache_min_res_unit     | 4096    |
| query_cache_size             | 599040  |
| query_cache_type             | ON      |
| query_cache_wlock_invalidate | OFF     |
+------------------------------+---------+
6 rows in set (0.02 sec)

8.0 以及之后版本之后，打印的信息是下面这样的：

mysql> show variables like '%query_cache%';
+------------------+-------+
| Variable_name    | Value |
+------------------+-------+
| have_query_cache | NO    |
+------------------+-------+
1 row in set (0.01 sec)

我们这里对 8.0 版本之前show variables like '%query_cache%';命令打印出来的信息进行解释。

have_query_cache： 该 MySQL Server 是否支持查询缓存，如果是 YES 表示支持，否则则是不支持。
query_cache_limit： MySQL 查询缓存的最大查询结果，查询结果大于该值时不会被缓存。
query_cache_min_res_unit： 查询缓存分配的最小块的大小(字节)。当查询进行的时候，MySQL 把查询结果保存在查询缓存中，但如果要保存的结果比较大，超过 query_cache_min_res_unit 的值，这时候 MySQL 将一边检索结果，一边进行保存结果，也就是说，有可能在一次查询中，MySQL 要进行多次内存分配的操作。适当的调节 query_cache_min_res_unit 可以优化内存。
query_cache_size： 为缓存查询结果分配的内存的数量，单位是字节，且数值必须是 1024 的整数倍。默认值是 0，即禁用查询缓存。
query_cache_type： 设置查询缓存类型，默认为 ON。设置 GLOBAL 值可以设置后面的所有客户端连接的类型。客户端可以设置 SESSION 值以影响他们自己对查询缓存的使用。
query_cache_wlock_invalidate：如果某个表被锁住，是否返回缓存中的数据，默认关闭，也是建议的。

query_cache_type 可能的值(修改 query_cache_type 需要重启 MySQL Server)：

0 或 OFF：关闭查询功能。
1 或 ON：开启查询缓存功能，但不缓存 Select SQL_NO_CACHE 开头的查询。
2 或 DEMAND：开启查询缓存功能，但仅缓存 Select SQL_CACHE 开头的查询。

建议：

query_cache_size不建议设置的过大。过大的空间不但挤占实例其他内存结构的空间，而且会增加在缓存中搜索的开销。建议根据实例规格，初始值设置为 10MB 到 100MB 之间的值，而后根据运行使用情况调整。
建议通过调整 query_cache_size 的值来开启、关闭查询缓存，因为修改query_cache_type 参数需要重启 MySQL Server 生效。
8.0 版本之前，my.cnf 加入以下配置，重启 MySQL 开启查询缓存

query_cache_type=1
query_cache_size=600000

或者，MySQL 执行以下命令也可以开启查询缓存

set global  query_cache_type=1;
set global  query_cache_size=600000;

手动清理缓存可以使用下面三个 SQL：

flush query cache;：清理查询缓存内存碎片。
reset query cache;：从查询缓存中移除所有查询。
flush tables； 关闭所有打开的表，同时该操作会清空查询缓存中的内容。

MySQL 缓存机制

缓存规则

查询缓存会将查询语句和结果集保存到内存（一般是 key-value 的形式，key 是查询语句，value 是查询的结果集），下次再查直接从内存中取。
缓存的结果是通过 sessions 共享的，所以一个 client 查询的缓存结果，另一个 client 也可以使用。
SQL 必须完全一致才会导致查询缓存命中（大小写、空格、使用的数据库、协议版本、字符集等必须一致）。检查查询缓存时，MySQL Server 不会对 SQL 做任何处理，它精确的使用客户端传来的查询。
不缓存查询中的子查询结果集，仅缓存查询最终结果集。
不确定的函数将永远不会被缓存, 比如 now()、curdate()、last_insert_id()、rand() 等。
不缓存产生告警（Warnings）的查询。
太大的结果集不会被缓存 (< query_cache_limit)。
如果查询中包含任何用户自定义函数、存储函数、用户变量、临时表、MySQL 库中的系统表，其查询结果也不会被缓存。
缓存建立之后，MySQL 的查询缓存系统会跟踪查询中涉及的每张表，如果这些表（数据或结构）发生变化，那么和这张表相关的所有缓存数据都将失效。
MySQL 缓存在分库分表环境下是不起作用的。
不缓存使用 SQL_NO_CACHE 的查询。
……

查询缓存 SELECT 选项示例：

SELECT SQL_CACHE id, name FROM customer;# 会缓存
SELECT SQL_NO_CACHE id, name FROM customer;# 不会缓存

缓存机制中的内存管理

查询缓存是完全存储在内存中的，所以在配置和使用它之前，我们需要先了解它是如何使用内存的。

MySQL 查询缓存使用内存池技术，自己管理内存释放和分配，而不是通过操作系统。内存池使用的基本单位是变长的 block, 用来存储类型、大小、数据等信息。一个结果集的缓存通过链表把这些 block 串起来。block 最短长度为 query_cache_min_res_unit。

当服务器启动的时候，会初始化缓存需要的内存，是一个完整的空闲块。当查询结果需要缓存的时候，先从空闲块中申请一个数据块为参数 query_cache_min_res_unit 配置的空间，即使缓存数据很小，申请数据块也是这个，因为查询开始返回结果的时候就分配空间，此时无法预知结果多大。

分配内存块需要先锁住空间块，所以操作很慢，MySQL 会尽量避免这个操作，选择尽可能小的内存块，如果不够，继续申请，如果存储完时有空余则释放多余的。

但是如果并发的操作，余下的需要回收的空间很小，小于 query_cache_min_res_unit，不能再次被使用，就会产生碎片。

MySQL 查询缓存的优缺点

优点：

查询缓存的查询，发生在 MySQL 接收到客户端的查询请求、查询权限验证之后和查询 SQL 解析之前。也就是说，当 MySQL 接收到客户端的查询 SQL 之后，仅仅只需要对其进行相应的权限验证之后，就会通过查询缓存来查找结果，甚至都不需要经过 Optimizer 模块进行执行计划的分析优化，更不需要发生任何存储引擎的交互。
由于查询缓存是基于内存的，直接从内存中返回相应的查询结果，因此减少了大量的磁盘 I/O 和 CPU 计算，导致效率非常高。

缺点：

MySQL 会对每条接收到的 SELECT 类型的查询进行 Hash 计算，然后查找这个查询的缓存结果是否存在。虽然 Hash 计算和查找的效率已经足够高了，一条查询语句所带来的开销可以忽略，但一旦涉及到高并发，有成千上万条查询语句时，hash 计算和查找所带来的开销就必须重视了。
查询缓存的失效问题。如果表的变更比较频繁，则会造成查询缓存的失效率非常高。表的变更不仅仅指表中的数据发生变化，还包括表结构或者索引的任何变化。
查询语句不同，但查询结果相同的查询都会被缓存，这样便会造成内存资源的过度消耗。查询语句的字符大小写、空格或者注释的不同，查询缓存都会认为是不同的查询（因为他们的 Hash 值会不同）。
相关系统变量设置不合理会造成大量的内存碎片，这样便会导致查询缓存频繁清理内存。

MySQL 查询缓存对性能的影响

在 MySQL Server 中打开查询缓存对数据库的读和写都会带来额外的消耗:

读查询开始之前必须检查是否命中缓存。
如果读查询可以缓存，那么执行完查询操作后，会查询结果和查询语句写入缓存。
当向某个表写入数据的时候，必须将这个表所有的缓存设置为失效，如果缓存空间很大，则消耗也会很大，可能使系统僵死一段时间，因为这个操作是靠全局锁操作来保护的。
对 InnoDB 表，当修改一个表时，设置了缓存失效，但是多版本特性会暂时将这修改对其他事务屏蔽，在这个事务提交之前，所有查询都无法使用缓存，直到这个事务被提交，所以长时间的事务，会大大降低查询缓存的命中。

总结

MySQL 中的查询缓存虽然能够提升数据库的查询性能，但是查询同时也带来了额外的开销，每次查询后都要做一次缓存操作，失效后还要销毁。

查询缓存是一个适用较少情况的缓存机制。如果你的应用对数据库的更新很少，那么查询缓存将会作用显著。比较典型的如博客系统，一般博客更新相对较慢，数据表相对稳定不变，这时候查询缓存的作用会比较明显。

简单总结一下查询缓存的适用场景：

表数据修改不频繁、数据较静态。
查询（Select）重复度高。
查询结果集小于 1 MB。

对于一个更新频繁的系统来说，查询缓存缓存的作用是很微小的，在某些情况下开启查询缓存会带来性能的下降。

简单总结一下查询缓存不适用的场景：

表中的数据、表结构或者索引变动频繁
重复的查询很少
查询的结果集很大

《高性能 MySQL》这样写到：

根据我们的经验，在高并发压力环境中查询缓存会导致系统性能的下降，甚至僵死。如果你一定要使用查询缓存，那么不要设置太大内存，而且只有在明确收益的时候才使用（数据库内容修改次数较少）。

确实是这样的！实际项目中，更建议使用本地缓存（比如 Caffeine）或者分布式缓存（比如 Redis），性能更好，更通用一些。

参考

《高性能 MySQL》
MySQL 缓存机制：https://zhuanlan.zhihu.com/p/55947158open in new window
RDS MySQL 查询缓存（Query Cache）的设置和使用 - 阿里元云数据库 RDS 文档:https://help.aliyun.com/document_detail/41717.htmlopen in new window
8.10.3 The MySQL Query Cache - MySQL 官方文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/query-cache.htmlopen in new window