MySQL数据库 - InnoDB引擎

InnoDB 引擎

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文章目录

InnoDB 引擎
- 1. 逻辑存储结构
- 2. 架构
- - 架构 - 内存结构
  - - Buffer Pool
    - Change Buffer
    - Adaptive Hash Index
    - Log Buffer
  - 架构 - 磁盘结构
  - - System Tablespace
    - File-Per-Table Tablespaces
    - General Tablespaces
    - Undo Tablespaces
    - Temporary Tablespaces
    - Doublewrite Buffer Files
    - Redo Log
  - 架构 - 后台线程
- 3. 事务原理
- - 3.1 事务
  - redo log【持久性】
  - undo log【原子性】
- 4. MVCC
- - MVCC - 基本概念
  - MVCC - 实现原理
  - - 记录中的隐藏字段
    - undo log
    - readview
- 总结

1. 逻辑存储结构

表空间（ibd 文件），一个 mysql 实例可以对应多个表空间，用于存储记录、索引等数据
段，分为数据段（Leaf node segment）、回滚段（Rollback segment），InnoDB 是索引组织表，数据段就是 B+树的叶子节点，索引段即为 B+树的非叶子节点。段用来管理多个 Extent（区）
区，表空间的单元结构，每个区的大小为1M。默认情况下，InnoDB 的存储引擎页大小为16K，和一个区中一共有64个连续的页
页，是 InnoDB 存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认为16KB。为了保证页的连续性，InnoDB 存储引擎每次从磁盘中申请4 - 5个区
行，InnoDB 存储引擎数据是按行进行存放的
- Trx_id：每次对某条记录进行改动时，都会把对应的事务 id 赋值给 trx_id 隐藏列
- Roll_pointer：每次对某条记录进行改动时，都会把旧的版本写入到 undo 日志中，然后这个隐藏列就相当于一个指针，可以通过它来找到该记录修改前的信息

2. 架构

MySQL5.5 版本开始，默认使用 InnoDB 存储引擎，它擅长事务处理，具有崩溃恢复特性，在日常开发中使用非常广泛。下面是 InnoDB 架构图，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构

架构 - 内存结构

Buffer Pool

Buffer Pool：缓冲池是主内存中的一个区域，里面可以缓存磁盘上经常操作的真实数据，在执行增删改查操作时，先操作缓冲池中的数据（若缓冲池没有数据，则从磁盘加载并缓存），然后再以一定频率刷新到磁盘，从而减少磁盘 IO，加快处理速度

缓冲池以 Page 页为单位，底层采用链表数据结构管理 Page。根据状态，将 Page 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，页中数据与磁盘的数据产生了不一致

Change Buffer

Change Buffer：更改缓冲区（针对于非唯一二级索引页），在执行 DML 语句时，如果这些数据 Page 没有在 Buffer Pool 中，不会直接操作磁盘，而会将数据变更存在更改缓冲区 Change Buffer 中，在未来数据被读取时，再将数据合并恢复到 Buffer Pool 中，再将合并后的数据刷新到磁盘中

Change Buffer 的意义
- 与聚集索引不同，二级索引通常是非唯一的，并且以相对随机的顺序插入二级索引。同样，删除和更新可能会影响索引树中不相邻的二级索引页，如果每一次都操作磁盘，会造成大量的磁盘 IO。有了 Change Buffer 之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘 IO

Adaptive Hash Index

Adaptive Hash Index：自适应 hash 索引，用于优化对 Buffer Pool 数据的查询。InnoDB 存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到 hash 索引可以提升速度，则建立 hash 索引，称之为自适应 hash 索引
自适应哈希索引，无需人工干预，是系统根据情况自动完成
参数：adaptive_hash_index

Log Buffer

Log Buffer：日志缓冲区，用来保存要写入到磁盘中的 log 日志数据（redo log、undo log），默认大小为16MB，日志缓冲区的日志会定期刷新到磁盘中。如果需要更新、插入或删除许多行的事务，增加日志缓冲区的大小可以节省磁盘 IO

参数：
innodb_log_buffer_size：缓冲区大小
innodb_flush_log_at_trx_commit：日志刷新到磁盘时机

1：日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘
0：每秒将日志写入并刷新到磁盘一次
2：日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次

架构 - 磁盘结构

System Tablespace

System Tablespace：系统表空间是更改缓冲区的存储区域，如果表是在系统表空间而不是每个表文件或通用表空间中创建的，它也可能包含表和索引数据（在 MySQL5.x 版本中还包含 InnoDB 数据字典、undolog 等）
参数：innodb_data_file_path

File-Per-Table Tablespaces

File-Per-Table Tablespaces：每个表的文件表空间包含单个 InnoDB 表的数据和索引，并存储在文件系统上的单个数据文件中
参数：innodb_file_per_table

General Tablespaces

General Tablespaces：通用表空间，需要通过 CREATE TABLESPACE 语法创建通用表空间，在创建表时，可以指定该表空间

语法
- 创建表空间

CREATE TABLESPACE XXXX ADD
DATAFILE 'file_name'
ENGINE = engine_name;

指定表空间

CREATE TABLE XXX... TABLESPACE ts_name;

Undo Tablespaces

Undo Tablespaces：撤销表空间，MySQL 实例在初始化时会自动创建两个默认的 undo 表空间（初识大小16M），用于存储 undo log 日志

Temporary Tablespaces

Temporary Tablespaces：InnoDB 使用会话临时表空间和全局临时表空间。存储用户创建的临时表等数据

Doublewrite Buffer Files

Doublewrite Buffer Files：双写缓冲区，InnoDB 引擎将数据页从 Buffer Pool 刷新到磁盘前，先将数据写入双写缓冲区文件中，便于系统异常时恢复数据

Redo Log

Redo Log：重做日志，是用来实现事务的持久性。该日志文件由两部分组成：重做日志缓冲（redo log buffer）以及重做日志文件（redo log），前者是在内存中，后者是在磁盘中。当事务提交之后会把所拥有修改信息都会存到该日志中，用于在刷新脏页到磁盘时，发生错误时，进行数据恢复使用
以循环方式写入重做日志文件，涉及两个文件：

ib_logfile0
ib_logfile1

架构 - 后台线程

Master Thread

核心后台线程，负责调度其他线程，还负责将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘中，保持数据的一致性，还包括脏页的刷新、合并插入缓存、undo 页的回收

IO Thread

在 InnoDB 存储引擎中大量使用了 AIO 来处理 IO 请求，这样可以极大地提高数据库的性能，而 IO Thread 主要负责这些 IO 请求的回调

线程类型	默认个数	职责
Read thread	4	负责读操作
Write thread	4	负责写操作
Log thread	1	负责将日志缓冲区刷新到磁盘
Insert buffer thread	1	负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

Purge Thread

主要用于回收事务已经提交了的 undo log，在事务提交之后，undo log 可能不用了，就用它来回收

Page Cleaner Thread

协助 Master Thread 刷新脏页到磁盘的线程，它可以减轻 Master Thread 的工作压力，减少阻塞

3. 事务原理

3.1 事务

事务
- 事务是一组操作的集合，它是一个不可分割的工作单位，事务会把所有的操作作为一个整体一起向系统提交或撤销操作请求，即这些操作要么同时成功，要么同时失败
特性
- 原子性（Atomicity）：事务是不可分割的最小操作单元，要么全部成功，要么全部失败
- 一致性（Consistency）：事务完成时，必须使所有的数据都保持一致状态
- 隔离性（Isolation）：数据库系统提供的隔断机制，保证事务在不受外部并发操作影响的独立环境下运行
- 持久性（Durability）：事务一旦提交或回滚，它对数据库中的数据的改变是永久的

redo log【持久性】

重做日志，记录的是事务提交时数据页的物理修改，是用来实现事务的持久性
该日志文件由两部分组成：重做日志缓冲（redo log buffer）以及重做日志文件（redo log file），前者是在内存中，后者在磁盘中。当事务提交之后会把所有修改信息都存到该日志文件中，用于在刷新脏页到磁盘，的、发生错误时，进行数据恢复使用

undo log【原子性】

回滚日志，用于记录数据被修改前的信息，作用包含两个：提供回滚和 MVCC（多版本并发控制）
undo log 和 redo log 记录物理日志不一样，它是逻辑日志。可以认为当 delete 一条记录时，undo log 中会记录一条对应的 insert 记录，防止亦然，当 update 一条记录时，它记录一条对应相反的 update 记录。当执行 rollback 时，就可以从 undo log 中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚
Undo log 销毁：undo log 在事务执行时产生，事务提交时，并不会立即删除 undo log，因为这些日志可能还用于 MVCC
Undo log 存储：undo log 采用段的方式进行管理和记录，存放在前面介绍的 rollback segment 回滚段中，内部包含1024个 undo log segment

4. MVCC

MVCC - 基本概念

当前读
- 读取的是记录的最新版本，读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录，会对读取的记录进行加锁。对于我们日常的操作，如：select … lock in share mode（共享锁），select … for update、update、insert、delete（排他锁）都是一种当前读
- 简单来说当前读读取到的就是最新的数据记录
快照读
- 简单的 select（不加锁）就是快照读，读取的是记录数据的可见版本，有可能是历史数据，不加锁，是非阻塞读
  - Read Committed：每次 select，都生成一个快照读
  - Repeatable Read：开启事务后第一个 select 语句才是快照读的地方
  - Serializable：快照读会退化为当前读
MVCC
- 全称 Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。指维护一个数据的多个版本，使得读写操作没有冲突，快照读为 MySQL 实现 MVCC 提供了一个非阻塞读功能。MVCC 的具体实现，还要依赖于数据库记录中的三个隐藏字段、undo log 日志、readView

MVCC - 实现原理

记录中的隐藏字段

隐藏字段	含义
DB_TRX_ID	最近修改事务 ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务 ID
DB_ROLL_PTR	回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合 undo log，指向上一个版本
DB_ROW_ID	隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段

查看表空间文件内容：ibd2sdi 表空间文件名

undo log

回滚日志，在 insert、update、delete 的时候产生的便于数据回滚的日志
当 insert 的时候，产生的 undo log 日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被立即删除
而 update、delete 的时候，产生的 undo log 日志不仅在回滚时需要，在快照读时也需要，不会立即被删除
undo log 版本链

不同事务或相同事务对同一条记录进行修改，会导致该记录的 undolog 生成一条版本链表，链表的头部是最新的旧记录，链表尾部是最早的旧记录

readview

ReadView（读视图）是快照读 SQL 执行时 MVCC 提取数据的依据，记录并维护系统当前活跃的事务（未提交的）id
ReadView 中包含了四个核心字段：

字段	含义
m_ids	当前活跃的事务 ID 集合
min_trx_id	最小活跃事务 ID
max_trx_id	预分配事务 ID，当前最大事务 ID+1（因为事务 ID 是自增的）
creator_trx_id	ReadView 创建者的事务 ID