Mongo进阶 - WT引擎：Page生命周期

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Mongo进阶 - WT引擎：Page生命周期

通过前文我们了解到数据以page为单位加载到cache; 有必要系统的分析一页page的生命周期、状态以及相关参数的配置，这对后续MongoDB的性能调优和故障问题的定位和解决有帮助。

1. 为什么要了解Page生命周期

通过前文我们了解到数据以page为单位加载到cache、cache里面又会生成各种不同类型的page及为不同类型的page分配不同大小的内存、eviction触发机制和reconcile动作都发生在page上、page大小持续增加时会被分割成多个小page，所有这些操作都是围绕一个page来完成的。

因此，有必要系统的分析一页page的生命周期、状态以及相关参数的配置，这对后续MongoDB的性能调优和故障问题的定位和解决有帮助。

2. Page的生命周期

Page的典型生命周期如下图所示：

第一步：pages从磁盘读到内存；
第二步：pages在内存中被修改；
第三步：被修改的脏pages在内存被reconcile，完成后将discard这些pages。
第四步：pages被选中，加入淘汰队列，等待被evict线程淘汰出内存；
第五步：evict线程会将“干净“的pages直接从内存丢弃（因为相对于磁盘page来说没做任何修改），将经过reconcile处理后的磁盘映像写到磁盘再丢弃“脏的”pages。

pages的状态是在不断变化的，因此，对于读操作来说，它首先会检查pages的状态是否为WT_REF_MEM，然后设置一个hazard指针指向要读的pages，如果刷新后，pages的状态仍为WT_REF_MEM，读操作才能继续处理。

与此同时，evict线程想要淘汰pages时，它会先锁住pages，即将pages的状态设为WT_REF_LOCKED，然后检查pages上是否有读操作设置的hazard指针，如有，说明还有线程正在读这个page则停止evict，重新将page的状态设置为WT_REF_MEM；如果没有，则pages被淘汰出去。

3. Page的各种状态

针对一页page的每一种状态，详细描述如下：

WT_REF_DISK：初始状态，page在磁盘上的状态，必须被读到内存后才能使用，当page被evict后，状态也会被设置为这个。
WT_REF_DELETED： page在磁盘上，但是已经从内存B-Tree上删除，当我们不在需要读某个leaf page时，可以将其删除。
WT_REF_LIMBO： page的映像已经被加载到内存，但page上还有额外的修改数据在lookasidetable上没有被加载到内存。
WT_REF_LOOKASIDE： page在磁盘上，但是在lookasidetable也有与此page相关的修改内容，在page可读之前，也需要加载这部分内容。

当对一个page进行reconcile时，如果系统中还有之前的读操作正在访问此page上修改的数据，则会将这些数据保存到lookasidetable；当page再被读时，可以利用lookasidetable中的数据重新构建内存page。

WT_REF_LOCKED：当page被evict时，会将page锁住，其它线程不可访问。
WT_REF_MEM： page已经从磁盘读到内存，并且能正常访问。
WT_REF_READING： page正在被某个线程从磁盘读到内存，其它的读线程等待它被读完，不需要重复去读。
WT_REF_SPLIT：当page变得过大时，会被split，状态设为WT_REF_SPLIT，原来指向的page不再被使用。

4. Page的大小参数

无论将数据从磁盘读到内存，还是从内存写到磁盘，都是以page为单位调度的，但是在磁盘上一个page到底多大？是否是最小分割单元？以及内存里面的各种page的大小对存储引擎的性能是否有影响？本节将围绕这些问题，分析与page大小相关的参数是如何影响存储引擎性能的。总的来说，涉及到的关键参数和默认值如下表所示：

参数名称	默认配置值	含义
allocation_size	4KB	磁盘上最小分配单元
memory_page_max	5MB	内存中允许的最大page值
internal_page_max	4KB	磁盘上允许的最大internal page值
leaf_page_max	32KB	磁盘上允许的最大leaf page值
internal_key_max	1/10*internal_page	internal page上允许的最大key值
leaf_key_max	1/10*leaf_page	leaf page上允许的最大key值
leaf_key_value	1/2*leaf_page	leaf page上允许的最大value值
split_pct	75%	reconciled的page的分割百分比

详细说明如下：

allocation_size：

MongoDB磁盘文件的最小分配单元（由WiredTiger自带的块管理模块来分配），一个page的可以由一个或多个这样的单元组成；默认值是4KB，与主机操作系统虚拟内存页的大小相当，大多数场景下不需要修改这个值。

memory_page_max：

WiredTigerCache里面一个内存page随着不断插入修改等操作，允许增长达到的最大值，默认值为5MB。当一个内存page达到这个最大值时，将会被split成较小的内存pages且通过reconcile将这些pages写到磁盘pages，一旦完成写到磁盘，这些内存pages将从内存移除。

需要注意的是：split和reconcile这两个动作都需要获得page的排它锁，导致应用程序在此page上的其它写操作会等待，因此设置一个合理的最大值，对系统的性能也很关键。

如果值太大，虽然spilt和reconcile发生的机率减少，但一旦发生这样的动作，持有排它锁的时间会较长，导致应用程序的插入或修改操作延迟增大；

如果值太小，虽然单次持有排它锁的时间会较短，但是会导致spilt和reconcile发生的机率增加。

internal_page_max：

磁盘上internalpage的最大值，默认为4KB。随着reconcile进行，internalpage超过这个值时，会被split成多个pages。

这个值的大小会影响磁盘上B-Tree的深度和internalpage上key的数量，如果太大，则internalpage上的key的数量会很多，通过遍历定位到正确leaf page的时间会增加；如果太小，则B-Tree的深度会增加，也会影响定位到正确leaf page的时间。

leaf_page_max：

磁盘上leaf page的最大值，默认为32KB。随着reconcile进行，leaf page超过这个值时，会被split成多个pages。

这个值的大小会影响磁盘的I/O性能，因为我们在从磁盘读取数据时，总是期望一次I/O能多读取一点数据，所以希望把这个参数调大；但是太大，又会造成读写放大，因为读出来的很多数据可能后续都用不上。

internal_key_max：

internalpage上允许的最大key值，默认大小为internalpage初始值的1/10，如果超过这个值，将会额外存储。导致读取key时需要额外的磁盘I/O。

leaf_key_max：

leaf page上允许的最大key值，默认大小为leaf page初始值的1/10，如果超过这个值，将会额外存储。导致读取key时需要额外的磁盘I/O。

leaf_value_max：

leaf page上允许的最大value值（保存真正的集合数据），默认大小为leaf page初始值的1/2，如果超过这个值，将会额外存储。导致读取value时需要额外的磁盘I/O。

split_pct：

内存里面将要被reconciled的 page大小与internal_page_max或leaf_page_max值的百分比，默认值为75%，如果内存里面被reconciled的page能够装进一个单独的磁盘page上，则不会发生spilt，否则按照该百分比值*最大允许的page值分割新page的大小。