数据库必知必会系列：数据库性能调优与故障诊断-EW帮帮网

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

数据库（Database）是一种结构化的、能够存储和管理海量数据的计算机系统。随着信息技术的飞速发展，数据库成为信息系统的重要组成部分，无论是互联网、移动应用还是大数据处理等领域，都需要依赖于数据库进行数据的存储、处理、分析和报告。而数据库的优化和管理也成为高效运营数据库的一项重要任务。所以，对数据库进行优化和管理，对于提升数据库的整体性能，保障数据安全、降低数据成本、增强系统的稳定性，具有十分重要的意义。

《数据库必知必会系列：数据库性能调优与故障诊断》，是一篇专业技术博客文章，主要内容是通过“知识、技能”、“实践经验”、“案例分享”三个视角，详细阐述数据库性能优化和故障诊断的方法和工具。主要包括以下六个部分：

第一部分“性能调优方法”，介绍了数据库性能调优的基本思路、阶段性目标、指标、方法和工具；
第二部分“数据库配置参数优化”，通过对系统配置参数的理解和调整，提高数据库的并发能力、响应时间、资源利用率；
第三部分“SQL语句优化”，从性能瓶颈、索引建设、查询优化、连接管理、线程控制等方面详细解析SQL语句优化方法；
第四部分“系统瓶颈定位”，通过工具和手段，帮助DBA快速定位数据库的系统瓶颈、慢查询点、长事务等问题；
第五部分“故障诊断方法论”，首先介绍了故障诊断的过程和方式，然后阐述了故障诊断工具和关键指标；
第六部分“慢查询优化”，通过对慢查询日志、性能分析工具、explain命令等方面的讲解，介绍了慢查询优化的方法。

本文适合DBA、开发工程师以及相关人员阅读，有助于理解数据库性能优化、故障诊断的基本理念和方法。

2.性能调优方法

2.1 性能调优概览

在性能调优中，最基本的原则就是让数据库跑得更快。但实际情况往往不是那么美好，比如数据库的设计存在一些问题，导致运行效率低下，或者存在性能不佳的数据访问模式。因此，除了考虑运行速度外，还应该关注数据库的资源消耗，同时关注硬件配置、负载均衡、存储方案选择等因素，来平衡数据库的性能。此外，还可以基于业务特点，对数据访问模式进行调整，比如对热点数据集缓存或使用其他的数据访问策略，来提高数据库的吞吐量、减少延迟。

数据库性能调优一般包括以下几个步骤：

确定问题根源：确认是数据库性能的问题，还是其他资源（如CPU、内存、网络带宽等）占用过多的问题；
制定调优目标：确定数据库的响应时间、TPS、资源消耗、硬件配置等关键指标，并设置相应的优化目标；
数据采集：采集数据库的性能数据，包括CPU利用率、磁盘I/O、内存使用情况、网络IO等指标；
数据分析：对数据库性能数据进行分析，识别出系统瓶颈、资源消耗较高的组件，并给出相应的优化建议；
实施调优：根据优化目标、采集到的性能数据、分析结果，对数据库进行优化，使之达到优化目标；
测试验证：对优化后的数据库进行测试，并验证是否达到预期的效果。

以上是性能调优的一个大概流程，每个公司的优化目标可能不同，但总体上遵循这个流程。

2.2 性能调优指标

下面介绍一下性能调优时常用的几个重要的指标，这些指标虽然不能完全覆盖所有情况，但仍然能帮助DBA快速判断数据库的性能问题。

响应时间（Response Time）：数据库完成一个请求的时间，单位是秒。响应时间较短的数据库通常被称作“快速响应”数据库；反之，响应时间较长的数据库则被称作“慢响应”数据库。

事务每秒（Transactions Per Second，TPS）：数据库每秒钟能够执行的事务数量，它直接影响数据库的吞吐量。TPS越高，数据库的性能就越好。

平均查询时间（Average Query Time）：数据库中执行一条查询所需的平均时间，单位是毫秒。平均查询时间较短的数据库通常被称作“响应快”数据库；反之，平均查询时间较长的数据库则被称作“响应慢”数据库。

读写比（Read-Write Ratio）：数据库中读取与写入数据的频率，该值越高，数据库的性能就越好。

数据库大小（Database Size）：数据库的容量大小，单位是G、T、P等。数据库越大，性能就越好，但是数据库也要受到物理资源的限制。

CPU利用率（CPU Utilization）：数据库服务器使用的CPU资源百分比。CPU利用率越高，数据库的性能就越好。

等待时间（Wait Time）：数据库在处理某些请求时，因为各种原因（如资源等待、锁争用等）需要等待的时间。如果等待时间过长，数据库的性能就会受到影响。

活动查询（Active Queries）：数据库当前正在执行的查询数量。活动查询越多，数据库的性能就越差。

连接数（Connections）：数据库的连接数。连接数越多，数据库的性能就越差，但是应注意建立连接的开销也很大。

页命中率（Page Hit Rate）：数据库从缓冲池（Buffer Pool）中命中的页数量与总的页数量的比值。页命中率越高，数据库的性能就越好。

页面访问顺序（Page Access Sequence）：数据库从磁盘加载页面的顺序。页面访问顺序越乱，数据库的性能就越差。

打开的文件数（Open Files）：数据库服务进程打开的文件数量。打开的文件数量越多，数据库的性能就越差。

平均活跃会话数（Average Active Sessions）：数据库服务器中活跃的会话数量。活跃会话越多，数据库的性能就越差。

平均缓冲区使用率（Average Buffer Usage）：数据库使用的缓冲区容量与容量总大小的比率。平均缓冲区使用率越高，数据库的性能就越差。

平均等待排序数（Average Wait Sorts）：数据库在后台等待的排序数量。平均等待排序数越高，数据库的性能就越差。

平均锁等待时间（Average Lock Wait Time）：数据库在处理请求时等待锁的平均时间。平均锁等待时间越长，数据库的性能就越差。

平均事务长度（Average Transaction Length）：数据库中事务处理的平均时间长度。平均事务长度越短，数据库的性能就越差。

平均锁冲突（Average Lock Contention）：数据库中锁竞争发生的平均次数。平均锁冲突越高，数据库的性能就越差。

最慢查询（Slowest Query）：数据库中响应时间最慢的查询。如果一个数据库包含多个慢查询，则需要进一步分析慢查询的原因。

网络流量（Network Traffic）：数据库服务器之间的网络流量。如果网络流量较大，数据库的性能就会受到影响。

磁盘I/O（Disk I/O）：数据库服务器与数据库文件之间的磁盘I/O。如果磁盘I/O较高，数据库的性能就会受到影响。

内存使用（Memory Usage）：数据库服务器的内存使用情况。如果内存使用较高，数据库的性能就会受到影响。

关键配置参数（Key Configuration Parameters）：数据库服务器运行过程中最重要的配置参数。一般来说，改变这些参数可以有效地提高数据库的性能。

系统组件（System Components）：数据库系统各个组件（如数据库引擎、数据库服务进程、后台进程等）。系统组件的优化可以显著提高数据库的整体性能。

2.3 性能调优方法

2.3.1 查询优化

在进行SQL查询优化前，首先要确认是哪个SQL查询存在性能问题。可以通过慢查询日志、监控系统等工具进行分析。对于慢查询，要做的第一件事情就是检查其SQL语句是否正确，并加速数据库操作。可以参考《SQL查询优化》一书的内容，了解SQL查询优化的基本原则。

2.3.1.1 SQL语句优化

SQL语句优化有很多方法，这里重点介绍几种常用方法。

1. 避免全表扫描

如果SQL语句没有任何过滤条件，并且没有指定索引，那么数据库将会进行全表扫描，这样可能会导致查询非常慢。因此，可以使用索引或添加必要的过滤条件来缩小搜索范围。

2. 使用JOIN代替子查询

JOIN语法允许把两个或多个表关联起来，获取相关联的记录。由于使用JOIN会将数据检索两次，因此查询效率会受到影响。因此，可以使用子查询代替JOIN，提高查询效率。

3. 分解复杂的SQL

如果SQL语句比较复杂，可以通过分解成多个简单SQL语句来提高查询效率。例如，可以先用WHERE子句过滤掉不需要的行，再用ORDER BY子句按指定的顺序排列数据。

4. 尽量避免大结果集

如果SQL语句返回的结果集较大，那么需要在客户端进行分页显示。否则，查询将会超时，甚至造成系统崩溃。因此，如果查询返回的结果集超过一定阈值，可尝试分批查询，每次只返回一部分数据，并在客户端进行分页显示。

2.3.1.2 索引优化

索引是一个快速查找数据的方式。在创建索引之前，需要考虑索引是否有效。可以通过检查索引的利用率、回表统计、空间开销等指标，评估索引是否合理。创建索引时，需要考虑索引列的唯一性、复合索引的拆分和排序。

1. 使用索引扫描

索引扫描相比全表扫描更快，因此当查询条件可以利用索引时，应尽量使用索引扫描。

2. 创建组合索引

当需要查询多个字段的数据时，可以创建组合索引。例如，假设有如下表：

CREATE TABLE test (
    id INT NOT NULL AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(64),
    age INT,
    email VARCHAR(128)
);

如果需要查询name和age，可以创建一个组合索引：

CREATE INDEX idx_test ON test (name, age);

3. 避免过度索引

不要创建太多的索引，只有在确实需要改善查询性能的情况下才创建索引。过度索引会占用大量的存储空间、降低插入和更新的性能，并会增加维护索引的开销。

4. 更新索引

当对表数据进行INSERT、UPDATE、DELETE操作时，需要更新对应的索引。索引也应定时进行维护，增删改操作后的数据发生变化时，需要重新生成索引。

5. 小心维护索引

索引不宜过长，应该适当地缩小范围，防止过度膨胀，影响查询效率。索引的失效需要通过分析日志和监控系统发现并解决。

2.3.2 配置参数优化

数据库服务器的配置参数对数据库性能的影响是巨大的。本节将介绍一些常用配置参数及其优化方法。

1. max_connections

max_connections用于设置最大的连接数量。MySQL默认支持500个连接，可以满足一般应用的需求。如果需要支持更多的连接，可以在配置文件中设置：

[mysqld]
max_connections=1000

将max_connections的值设置为合理的值，可以避免出现"Too many connections"错误。

2. thread_stack

thread_stack用于设置每个线程的栈大小。默认值为1M，可以适当扩大或缩小。例如，可以通过设置：

[mysqld]
thread_stack=192K

将thread_stack设置为合理的值，可以避免线程栈溢出的错误。

3. sort_buffer_size

sort_buffer_size用于设置用于排序的内存大小。默认值为256K。通过适当调大或缩小sort_buffer_size，可以提高排序性能。

4. read_buffer_size 和 read_rnd_buffer_size

read_buffer_size用于设置读取缓冲区大小。默认值为128K。如果数据非常大，可以通过适当调大此值来提高查询效率。

read_rnd_buffer_size用于设置磁盘随机读缓冲区大小。默认值为256K。如果数据非常大，可以通过适当调大此值来提高查询效率。

5. key_buffer_size

key_buffer_size用于设置索引缓冲区大小。默认值为8M。一般情况下，key_buffer_size越大，查询效率越高。如果有超大或超长索引，建议增大key_buffer_size。

6. myisam_sort_buffer_size

myisam_sort_buffer_size用于设置MYISAM表进行排序时的缓冲区大小。默认值为8M。如果数据非常大，可以通过适当调大此值来提高排序性能。

2.3.3 系统组件优化

优化数据库系统组件可以显著提升数据库性能。一般来说，优化系统组件包括数据库引擎、数据库服务进程、后台进程等。

2.3.3.1 数据库引擎优化

目前，主流的数据库引擎有InnoDB、MyISAM、MEMORY等。其中，InnoDB拥有众多特性，如ACID保证、事务支持等，它的查询性能逼近于内存数据库的查询速度。因此，InnoDB应优先选择。

InnoDB的查询优化可以通过索引和查询计划的调整来实现。索引应尽量减少基数，并且选择适当的类型和存储引擎，如BTREE、HASH、RTREE。查询计划应尽量减少读取的行数，选择合适的索引和查询方式。

InnoDB的日志文件应尽量小，避免产生过多的磁盘I/O。同时，应定期对InnoDB的表空间进行碎片整理，以释放磁盘空间。

内存引擎Memory应使用场景单一，数据量较小时，应选择它。其查询速度快，适合大数据量的查询。

InnoDB参数优化

innodb_buffer_pool_size

innodb_buffer_pool_size用于设置InnoDB的缓冲池大小。默认值为8M。其大小决定了数据缓冲区的可用内存。如果系统内存较小，建议增大缓冲池大小，提高缓冲池的使用率。

innodb_log_file_size

innodb_log_file_size用于设置InnoDB的日志文件的大小。默认值为5M。其大小决定了日志文件的磁盘空间。如果日志文件过大，可能导致日志回滚的延迟增加，影响数据库的性能。

innodb_flush_log_at_trx_commit

innodb_flush_log_at_trx_commit用于设置提交事务时，是否刷新日志。默认为1，表示提交事务时刷新日志。如果设置为0，表示提交事务时不刷新日志，效率提高。

innodb_lock_wait_timeout

innodb_lock_wait_timeout用于设置死锁超时时间。默认值为50s。如果事务一直等待锁，且一直无法获得锁，可能出现死锁，导致数据库资源占用持续增加。可以通过增大此值来避免死锁。

innodb_open_files

innodb_open_files用于设置打开的文件描述符数量。默认值为300，可以通过修改/etc/security/limits.conf文件进行调整。

innodb_io_capacity

innodb_io_capacity用于设置随机I/O的容量。默认值为100。该值越大，随机I/O的速度越快，数据库的性能也越好。

innodb_lru_scan_depth

innodb_lru_scan_depth用于设置最近最少使用页面淘汰扫描的深度。默认值为1000。该值越大，InnoDB的性能越好，但也越容易出现页不够用的情况。

innodb_adaptive_hash_index

innodb_adaptive_hash_index用于设置自适应哈希索引功能。默认为ON，表示启用自适应哈希索引功能。如果禁用该功能，InnoDB会自动计算哈希索引，提高查询性能。

innodb_stats_on_metadata

innodb_stats_on_metadata用于设置收集元数据统计信息。默认为ON，表示收集元数据统计信息。如果关闭该选项，则不会收集元数据统计信息。

innodb_stats_persistent

innodb_stats_persistent用于设置统计信息是否持久化存储。默认为OFF，表示统计信息不会持久化存储。如果开启该选项，则统计信息会持久化存储，重启数据库后不会丢失统计信息。

innodb_stats_auto_recalc

innodb_stats_auto_recalc用于设置自动统计信息重算功能。默认为ON，表示自动统计信息重算功能启用。如果禁用该功能，则需要手动触发重算。

innodb_slow_query_log

innodb_slow_query_log用于设置慢查询日志功能。默认为OFF，表示关闭慢查询日志功能。如果开启该功能，则慢查询日志会保存在指定路径的日志文件中。

innodb_query_cache_size

innodb_query_cache_size用于设置查询缓存的大小。默认为16M。查询缓存可以减少数据库查询的延迟。

innodb_read_io_threads 和 innodb_write_io_threads

innodb_read_io_threads 和 innodb_write_io_threads用于设置读写IO线程数量。默认值为4。如果IO负载较高，可以通过增加线程数量来提高数据库性能。

innodb_ddl_locks

innodb_ddl_locks用于设置DDL锁等待超时时间。默认值为500ms。如果DDL操作一直等待锁，可能会导致其他线程无法继续工作。可以通过增大此值来避免这种情况。

2.3.3.2 服务进程优化

数据库服务进程包括mysqld、mysqladmin、mysqldump、mysqlslap等。它们对数据库的运行起着至关重要的作用。

mysqld进程主要负责数据库的运行，它由许多模块构成，如连接处理模块、查询解析模块、后台线程模块、错误处理模块等。

mysqld参数优化

back_log

back_log用于设置服务端的连接队列长度。默认值为80。如果队列满了，新的连接会被拒绝。可以通过适当调大此值来提高数据库的处理能力。

thread_concurrency

thread_concurrency用于设置后台线程的数量。默认值为10。如果后台线程较少，数据库的性能会受到影响。可以通过适当增加线程数量来提高数据库的处理能力。

max_connections

max_connections用于设置最大连接数量。默认值为151。如果连接数量超过此值，新的连接会被拒绝。可以通过适当调大此值来提高数据库的处理能力。

thread_cache_size

thread_cache_size用于设置线程缓存的大小。默认值为10。线程缓存用于重复利用线程对象，提高线程分配和释放的效率。

table_definition_cache

table_definition_cache用于设置表定义缓存的大小。默认值为400。如果表定义经常变更，可以适当调大此值来提高性能。

table_open_cache

table_open_cache用于设置表打开缓存的大小。默认值为400。如果表缓存过多，需要频繁打开，会影响性能。

open_files_limit

open_files_limit用于设置系统最大打开文件数。默认值为32768。如果打开文件数超过此值，则数据库会报错。可以通过适当调大此值来提高数据库的性能。

tmp_table_size

tmp_table_size用于设置临时表的大小。默认值为16M。如果临时表大小太大，可能会影响数据库性能。

max_heap_table_size

max_heap_table_size用于设置堆表的大小。默认值为16M。如果堆表大小太大，可能会影响数据库性能。

query_cache_type

query_cache_type用于设置查询缓存的类型。默认值为OFF。如果启用查询缓存，则会缓存SELECT语句的结果，提高数据库的查询效率。

query_cache_limit

query_cache_limit用于设置查询缓存的大小。默认值为128K。如果缓存大小太大，可能会影响数据库性能。

long_query_time

long_query_time用于设置慢查询时间。默认值为10s。如果查询时间超过此值，则会被记录到慢查询日志中。可以通过适当调小此值来提高数据库的处理能力。

slow_launch_time

slow_launch_time用于设置慢启动时间。默认值为2s。如果mysqld在该时间内启动时间超过10s，则会记录到日志文件中。可以通过适当调大此值来提高数据库的启动速度。

join_buffer_size

join_buffer_size用于设置连接缓冲区的大小。默认值为128K。如果连接缓冲区过小，可能会影响数据库性能。

thread_stack

thread_stack用于设置每个线程的栈大小。默认值为192K。如果线程栈太小，可能导致栈溢出，影响数据库的性能。

sort_buffer_size

sort_buffer_size用于设置排序缓冲区的大小。默认值为256K。如果排序缓冲区太小，可能导致数据不排序，影响数据库的性能。

read_rnd_buffer_size

read_rnd_buffer_size用于设置磁盘随机读缓冲区的大小。默认值为256K。如果磁盘随机读缓冲区太小，可能导致数据不连贯，影响数据库的性能。

read_buffer_size

read_buffer_size用于设置读取缓冲区的大小。默认值为128K。如果读取缓冲区太小，可能导致数据不完整，影响数据库的性能。

read_only

read_only用于设置数据库的只读模式。默认值为OFF。如果设置为ON，则只能读不能写，防止误操作。

transaction_isolation

transaction_isolation用于设置事务隔离级别。默认值为REPEATABLE-READ。REPEATABLE-READ表示可以看到其他事务的未提交更改，SERIALIZABLE表示可以看到其他事务的提交更改，但是性能会降低。

skip_name_resolve

skip_name_resolve用于设置域名解析。默认值为OFF。如果设置为ON，则查询时不进行域名解析，提高查询效率。

mysqladmin参数优化

interactive

interactive用于设置交互模式。默认值为OFF。如果设置为ON，则可以通过mysqladmin -uroot password oldpass newpass命令来修改root用户的密码。

wait_timeout

wait_timeout用于设置客户端空闲连接超时时间。默认值为8小时。如果客户端长时间不活动，会话结束，并释放连接资源。可以通过适当调大此值来提高客户端连接的生命周期。

connect_timeout

connect_timeout用于设置客户端连接超时时间。默认值为15秒。如果客户端长时间无法连接，会提示超时。可以通过适当调大此值来提高客户端连接的稳定性。

default_password_lifetime

default_password_lifetime用于设置新账户的默认密码有效期。默认值为0，表示永不过期。可以通过设置此值来提高账户安全性。

socket

socket用于设置数据库监听端口。默认值为/var/run/mysqld/mysqld.sock。如果设置为其他值，则需要在客户端设置连接参数时使用。

2.3.3.3 后台进程优化

后台进程包括binlog、redo log、slow query log、innodb flush log、slave io process、slave sql process等。

redo log

redo log是一个物理日志，记录了对数据库数据的修改。它用于在崩溃恢复后，让数据库回到一致状态。redo log可以保证事务的持久性，即使mysql进程异常退出，数据库也不会丢失提交的事务。

redo_log_format

redo_log_format用于设置redo log的格式。默认值为ROW，表示使用行格式。该格式适用于大多数场景，如果有特殊需求，也可以选择其他格式。

redo_log_interval

redo_log_interval用于设置redo log写入的最小间隔。默认值为500，表示500ms写入一次。该值越大，吞吐量越大，但是延迟越大。

binlog_cache_size

binlog_cache_size用于设置binlog缓存的大小。默认值为32K。该值越大，缓存中写入的事件越多，可以减少磁盘I/O。

sync_binlog

sync_binlog用于设置是否同步写入binlog。默认值为1，表示同步写入。设置为0，表示异步写入。如果设置为0，则数据库在crash-recovery时，可能丢失事务提交。

slow query log

slow query log记录了执行时间超过long_query_time的所有查询。slow query log可以用于定位查询优化、数据库瓶颈等问题。

slow_query_log

slow_query_log用于设置是否开启慢查询日志。默认值为OFF。如果开启，慢查询日志会记录到指定路径的日志文件中。

log_queries_not_using_indexes

log_queries_not_using_indexes用于设置是否记录没有使用索引的查询。默认值为OFF。如果开启，则慢查询日志会记录没有使用索引的查询。

long_query_time

long_query_time用于设置慢查询时间。默认值为10s。该值越大，记录的慢查询越多，日志文件越大。可以通过适当调小此值来降低日志文件大小。

min_examined_row_limit

min_examined_row_limit用于设置查询优化器检查查询范围的最小行数。默认值为0，表示检查所有行。可以通过设置此值来减少日志文件大小。

slave io process

slave io process用于复制时，读取master的二进制日志并写入本地的relay log。它是MySQL的高速后台进程，其性能直接影响复制速度。

net_buffer_length

net_buffer_length用于设置网络读写缓冲区的大小。默认值为16K。如果网络读写缓冲区太小，会影响复制性能。

bulk_insert_buffer_size

bulk_insert_buffer_size用于设置批量导入时使用的缓冲区大小。默认值为8M。该值越大，写入速度越快，但是占用内存也越多。

slave_compressed_protocol

slave_compressed_protocol用于设置是否压缩传输协议。默认值为OFF。设置为ON，则Slave端可以接收压缩的包。

expire_logs_days

expire_logs_days用于设置二进制日志的保留天数。默认值为0，表示永久保留。如果设置为非零值，则超过该天数的日志会被删除。

slave sql process

slave sql process用于解析和执行来自master的SQL语句。它是MySQL的高速后台进程，影响数据库的并发量。

have_heartbeat

have_heartbeat用于设置是否启用心跳检测机制。默认值为ON，表示启用。如果设置为OFF，则复制延迟会明显增大。

threads

threads用于设置SQL线程的数量。默认值为4。该值越大，SQL线程处理SQL请求的速度越快。

sort_buffer_size

sort_buffer_size用于设置排序缓冲区的大小。默认值为256K。该值越大，数据排序的效率越高，但是占用内存也越多。

join_buffer_size

join_buffer_size用于设置连接缓冲区的大小。默认值为128K。该值越大，连接的效率越高，但是占用内存也越多。

innodb flush log

innodb flush log用于将数据页刷新到磁盘，提高数据安全性。

innodb_flush_method

innodb_flush_method用于设置日志刷新策略。默认值为O_DSYNC，表示每次写入日志文件时，都立即刷新到磁盘。设置为F_NOWAIT，表示仅当缓存占用达到阈值时才刷新。

innodb_flush_neighbors

innodb_flush_neighbors用于设置在事务提交时，是否刷新邻接节点的日志。默认值为ON，表示刷新邻接节点的日志。设置为OFF，表示不刷新邻接节点的日志。