MySQL-逻辑结构

逻辑架构

MySQL的逻辑架构自顶向下大致可分为四层，包括网络连接层、服务层、引擎层和存储层。

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MySQL体系架构

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网络连接层

  • 客户端连接器（Client Connectors）：提供与MySQL服务器建立的支持。目前几乎支持所有主流 的服务端编程技术，例如常见的 Java、C、Python、.NET等，它们通过各自API技术与MySQL建立连接。

  • 用户鉴权：当客户端向MySQL服务端发起连接请求后，MySQL server会对发起连接的用户进行鉴权处理，MySQL鉴权依据是: 用户名，客户端主机地址和用户密码

  • 安全管理：当客户连接到MySQL server后，MySQL server会根据用户的权限来判断用户具体可执行哪些操作

    • MySQL 提供的部分权限

      show privileges G

服务层(MySQL Server)

服务层是MySQL Server的核心，主要包含系统管理和控制工具、连接池、SQL接口、解析器、查询优化器和缓存六个部分

  1. 连接池（Connection Pool）：负责存储和管理客户端与数据库的连接，一个线程负责管理一个连接。[官网性能测试报告:引入线程池,性能稳定性与性能会有很大得提升,128并发,读写模式, mysql高出60倍,只读18倍,若不引用线程池,线程创建关闭性能消耗大]

  2. 系统管理和控制工具（Management Services & Utilities）：例如备份恢复、安全管理、集群管理等

  3. SQL接口（SQL Interface）：用于接受客户端发送的各种SQL命令，并且返回用户需要查询的结果。比如DML、DDL、存储过程、视图、触发器等。

  4. 解析器（Parser）：负责将请求的SQL解析生成一个"解析树"。然后根据一些MySQL规则进一步检查解析树是否合法。

  5. 查询优化器（Optimizer）：当“解析树”通过解析器语法检查后，将交由优化器将其转化成执行计划，然后与存储引擎交互。

  6. 缓存（Cache&Buffer）： 缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存，记录缓存，权限缓 存，引擎缓存等。如果查询缓存有命中的查询结果，查询语句就可以直接去查询缓存中取数据。

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存储引擎层（Pluggable Storage Engines）

存储引擎负责MySQL中数据的存储与提取，与底层系统文件进行交互。MySQL存储引擎是插件式的，服务器中的查询执行引擎通过接口与存储引擎进行通信，接口屏蔽了不同存储引擎之间的差异 。
现在有很多种存储引擎，各有各的特点，最常见的是MyISAM和InnoDB。

文件系统层（File System）

负责将数据库的数据和日志存储在文件系统之上，并完成与存储引擎的交互，是文件的物理存储层。主要包含日志文件，数据文件，配置文件，pid 文件，socket 文件等。

  1. 日志文件
    • 错误日志（Error log）
      默认开启，show variables like '%log_error%'
    • 通用查询日志（General query log）
      记录一般查询语句，show variables like '%general%';
    • 二进制日志（binary log）
      记录了对MySQL数据库执行的更改操作，并且记录了语句的发生时间、执行时长；
      但是它不记录select、show等不修改数据库的SQL。
      主要用于数据库恢复和主从复制。
      show variables like '%log_bin%'; //是否开启
      show variables like '%binlog%'; //参数查看
      show binary logs;//查看日志文件
    • 慢查询日志（Slow query log）
      记录所有执行时间超时的查询SQL，默认是10秒。
      show variables like '%slow_query%'; //是否开启
      show variables like '%long_query_time%'; //时长
  2. 配置文件
    用于存放MySQL所有的配置信息文件，比如my.cnf、my.ini等。
  3. 数据文件
    • db.opt 文件：记录这个库的默认使用的字符集和校验规则。
    • frm 文件：存储与表相关的元数据（meta）信息，包括表结构的定义信息等，每一张表都会有一个frm 文件。
    • MYD 文件：MyISAM 存储引擎专用，存放 MyISAM 表的数据（data)，每一张表都会有一个.MYD 文件。
    • MYI 文件：MyISAM 存储引擎专用，存放 MyISAM 表的索引相关信息，每一张 MyISAM 表对应一个 .MYI 文件。
    • ibd文件和 IBDATA 文件：存放 InnoDB 的数据文件（包括索引）。
      InnoDB 存储引擎有两种表空间方式：独享表空间和共享表空间。
      • 独享表空间使用 .ibd 文件来存放数据，且每一张InnoDB 表对应一个 .ibd 文件。
        享表空间使用 .ibdata 文件，所有表共同使用一个（或多个，自行配置）.ibdata 文件。
    • ibdata1 文件：系统表空间数据文件，存储表元数据、Undo日志等 。
    • ib_logfile0、ib_logfile1 文件：Redo log 日志文件。
  4. pid 文件
    pid 文件是 mysqld 应用程序在 Unix/Linux 环境下的一个进程文件，和许多其他 Unix/Linux 服务端程序一样，它存放着自己的进程 id。
  5. socket 文件
    socket 文件也是在 Unix/Linux 环境下才有的，用户在 Unix/Linux 环境下客户端连接可以不通过TCP/IP 网络而直接使用 Unix Socket 来连接 MySQL。

InnoDB体系结构

当前使用比较多的是MyISAM和Innodb 存储引擎，在MySQL8.0后不在支持MyISAM，默认都是用Innodb。

Innodb 体系结构是由多个内存块组成的缓冲池及多个后台进程组成。主要包括内存，线程和磁盘文件。

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内存结构

buffer pool (缓冲池)

以Page页为单位，默认大小16K。底层采用链表结构管理Page。在InnoDB访问表记录和索引时会在Page页中缓存，以减少磁盘IO操作，提升效率。

Page管理机制
按状态分为三种类型
  • free page ：空闲page，未被使用
  • clean page：被使用page，数据没有被修改过
  • dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，页中数据和磁盘的数据产生了不一致
对上述三种类型，使用不同链表结构管理

  • free list ：表示空闲缓冲区，管理free page

  • flush list：表示需要刷新到磁盘的缓冲区，管理dirty page，内部page按修改时间排序。

    • 脏页即存在于flush链表，也在LRU链表中，但是两种互不影响
    • LRU链表负责管理page的可用性和释放，而flush链表负责管理脏页的刷盘操作。

  • lru list：表示正在使用的缓冲区，管理clean page和dirty page

    • 缓冲区以midpoint为基点，前面链表称为new列表区
    • 存放经常访问的数据，占63%；后面的链表称为old列表区，存放使用较少数据，占37%。
LRU 算法
普通LRU

末尾淘汰法，新数据从链表头部加入，释放空间时从末尾淘汰

改进型LRU

链表分为new和old两个部分，加入元素时并不是从表头插入，而是从中间midpoint位置插入，如果数据很快被访问，那么page就会向new列表头部移动，如果数据没有被访问，会逐步向old尾部移动，等待淘汰。

每当有新的page数据读取到buffer pool时，InnoDb引擎会判断是否有空闲页，是否足够，如果有就将free page从free list列表删除，放入到LRU列表中。没有空闲页，就会根据LRU算法淘汰LRU链表默认的页，将内存空间释放分配给新的页

配置参数
show variables like '%innodb_page_size%'; --查看page页大小
show variables like '%innodb_old%'; --查看lru list中old列表参数
show variables like '%innodb_buffer%'; --查看buffer pool参数

建议：将innodb_buffer_pool_size设置为总内存大小的60%-80%，
innodb_buffer_pool_instances可以设置为多个，这样可以避免缓存争夺。

change buffer (写缓冲区)

在进行DML操作时，如果Buffer Pool(BP)没有其相应的Page数据，并不会立刻将磁盘页加载到缓冲池，而是在Change Buffer记录缓冲变更，等未来数据被读取时，再将数据合并恢复到BP中。
Change Buffer占用Buffer Pool空间，默认占25%，最大允许占50%，可以根据读写业务量来进行调整。

参数
show variables like 'innodb_change_buffer_max_size';

当更新一条记录时，该记录在Buffer Pool存在，直接在Buffer Pool修改，一次内存操作。如果该记录在Buffer Pool不存在（没有命中），会直接在Change Buffer进行一次内存操作，不用再去磁盘查询数据，避免一次磁盘IO。当下次查询记录时，会先进行磁盘读取，然后再从Change Buffer中读取信息合并，最终载入Buffer Pool中。

log buffer (日志缓冲区)

用来保存要写入磁盘上log文件（Redo/Undo）的数据，日志缓冲区的内容定期刷新到磁盘log文件中。日志缓冲区满时会自动将其刷新到磁盘，当遇到 BLOB或多行更新的大事务操作时，增加日志缓冲区可以节省磁盘I/O。
Log Buffer主要是用于记录 InnoDB引擎日志，在 DML操作时会产生Redo和Undo日志。
Log Buffer空间满了，会自动写入磁盘。可以通过将 innodb_log_buffer_size 参数调大，减少磁盘IO频率。innodb_flush_log_at_trx_commit参数控制日志刷新行为，默认为1。

innodb_flush_log_at_trx_commit参数值
  • innodb_flush_log_at_trx_commit=1: 事务每次提交都会将log buffer中的日志写入os buffer并调用fsync()刷到log file on disk中。这种方式即使系统崩溃也不会丢失任何数据，但是因为每次提交都写入磁盘，IO的性能较差。
  • innodb_flush_log_at_trx_commit=0: 事务提交时不会将log buffer中日志写入到os buffer，而是每秒写入os buffer并调用fsync()写入到log file on disk中。也就是说设置为0时是(大约)每秒刷新写入到磁盘中的，当系统崩溃，会丢失1秒钟的数据。
  • innodb_flush_log_at_trx_commit=2: 每次提交都仅写入到os buffer，然后是每秒调用fsync()将os buffer中的日志写入到log file on disk。
刷盘过程

刷盘过程

磁盘结构

InnoDB 存储结构主要有Tablespaces，InnoDB Data Dictionary，Doublewrite Buffer、Redo Log 和 Undo Logs。

Tablespaces（表空间）

表空间用于存储表结构和数据。

分类
系统表空间

系统表空间存储 InnoDB 数据字典，Doublewrite Buffer，Change Buffer，Undo Logs。任何用户创建的表数据和索引数据不指定独立表空间时，也会存储在系统表空间中。系统表空间是一个共享的表空间，它被多个表共享。

系统表空间的数据文件通过参数innodb_data_file_path控制，默认值是ibdata1:12M:autoextend(文件名为ibdata1、12MB、自动扩展)

show variables like 'innodb_data_file_path';
独立表空间

独立表空间是一个单表表空间，单独为该表创建自己的数据文件，而不是在系统表空间中。当innodb_file_per_table选项开启时，表将被创建于表空间中。否则，innodb将被创建于系统表空间中。每个表文件表空间由一个.ibd数据文件表示，该文件默认被创建于数据库目录中。表空间的表文件支持动态（dynamic）和压缩（commpressed）行格式。

show variables like 'innodb_file_per_table';
常规表空间

通过create tablespace语法创建的共享表空间，可以创建在mysql数据目录外其它表空间

CREATE TABLESPACE ts1 ADD DATAFILE ''/data1/ts1.ibd' Engine=InnoDB;
CREATE TABLE t1 (c1 INT PRIMARY KEY) TABLESPACE ts1;
临时表空间

临时表空间分为：session temporary tablespace 和 global temporary tablespace

  • session temporary tablespace：存储的是用户创建的临时表和磁盘内部的临时表
  • global temporary tablespace：存储用户临时表的回滚段（rollback segments ）
Undo表空间

由一个或多个包含Undo日志文件组成，在MySQL 5.6版本之前Undo放在系统表空间共享区。从5.6新增参数innodb_undo_directory、innodb_undo_logs和innodb_undo_tablespaces这3个参数，可以把undo log从ibdata1移出来单独存放。需要在初始化时配置独立的Undo表空间

  • innodb_undo_directory，指定单独存放undo表空间的目录，默认为.（即datadir），可以设置相对路径或者绝对路径。该参数实例初始化之后虽然不可直接改动，但是可以通过先停库，修改配置文件，然后移动undo表空间文件的方式去修改该参数；
  • innodb_undo_tablespaces，指定单独存放的undo表空间个数，例如如果设置为3，则undo表空间为undo001、undo002、undo003，每个文件初始大小默认为10M。该参数我们推荐设置为大于等于3，原因下文将解释。该参数实例初始化之后不可改动；
  • innodb_undo_logs，指定回滚段的个数（早期版本该参数名字是innodb_rollback_segments），默认128个。每个回滚段可同时支持1024个在线事务。这些回滚段会平均分布到各个undo表空间中。该变量可以动态调整，但是物理上的回滚段不会减少，只是会控制用到的回滚段的个数。

MySQL 5.7引入了新的参数，innodb_undo_log_truncate，开启后可在线收缩拆分出来的undo表空间。

undo表空间文件可在线收缩的条件：

  • innodb_undo_tablespaces>=2。因为truncate undo表空间时，该文件处于inactive状态，如果只有1个undo表空间，那么整个系统在此过程中将处于不可用状态。为了尽可能降低truncate对系统的影响，建议将该参数最少设置为3；
  • innodb_undo_logs>=35（默认128）。因为在MySQL 5.7中，第一个undo log永远在系统表空间中，另外32个undo log分配给了临时表空间，即ibtmp1，至少还有2个undo log才能保证2个undo表空间中每个里面至少有1个undo log；

undo表空间的自动truncate相关参数：

  • innodb_max_undo_log_size，undo表空间文件超过此值即标记为可收缩，默认1G，可在线修改
  • innodb_purge_rseg_truncate_frequency,指定purge操作被唤起多少次之后才释放rollback segments。当undo表空间里面的rollback segments被释放时，undo表空间才会被truncate。由此可见，该参数越小，undo表空间被尝试truncate的频率越高
创建表空间语法
CREATE TABLESPACE tablespace_name

  InnoDB and NDB:
    ADD DATAFILE 'file_name'

  InnoDB only:
    [FILE_BLOCK_SIZE = value]

  NDB only:
    USE LOGFILE GROUP logfile_group
    [EXTENT_SIZE [=] extent_size]
    [INITIAL_SIZE [=] initial_size]
    [AUTOEXTEND_SIZE [=] autoextend_size]
    [MAX_SIZE [=] max_size]
    [NODEGROUP [=] nodegroup_id]
    [WAIT]
    [COMMENT [=] 'string']

  InnoDB and NDB:
    [ENGINE [=] engine_name]
查看表空间
select * from information_schema.INNODB_SYS_TABLESPACES ;

段（segment）

段是表空间的主要组织结构，用来管理物理文件。创建一个索引（B+树）时，默认同时创建两个段，分别是内节点段（存储主键）和叶子节点段（存储数据）

区（extent)

区是由物理上连续分配的一段空间（每个区的大小都为1MB），默认innodb页（16K）的情况下，一个区由64个连续页组成。【16K * 64 = 1M】

页(page)

页是文件管理的最小单位，默认每个页的大小为16KB。innodb_page_size参数可以配置页面大小（2KB，4KB， 8KB，16KB等）

常见的页类型：

  • 数据页（B-tree Node）
  • undo页（undo Log Page）
  • 系统页（System Page）
  • 事务数据页（Transaction system Page）
  • 插入缓冲位图页（Insert Buffer Bitmap）
  • 插入缓冲空闲列表页（Insert Buffer Free List）
  • 未压缩的二进制大对象页（Uncompressed BLOB Page）
  • 压缩的二进制大对象页（compressed BLOB Page）

行(row)

关系型数据库中数据是按行进行存放的。

Redo Log(重做日志)

redo log 记录的是数据库中每个页的修改，而不是某一行或某几行修改成怎样，可以用来恢复提交后的物理数据页，且只能恢复到最后一次提交的位置。

Undo Log(回滚日志)

undo log的作用是提供事务的回滚和多个行版本控制（MVCC-非锁定读）。undo log是逻辑日志，如执行一条delete操作时，undo log将它的反向操作记录下来，undo log也会产生redo日志。当事务失败需要回滚时，就可以从undo log中的逻辑记录进行回滚到修改前的样子。

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