MySQL-InnoDB引擎-架构和事务原理

曾经终败给现在 2023-10-08 17:03 59阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  一、逻辑存储架构
 *   *  1、表空间
     *  2、段
     *  3、区
     *  4、页
     *  5、行
 *  二、架构
 *   *  1、内存结构
     *   *  （1）Buffer Pool
         *  （2）Change Buffer
         *  （3）Adaptive Hash Index
         *  （4）Log Buffer
     *  2、磁盘结构
     *   *  （1）System Tablespace
         *  （2）File-Per-Table Tablespaces
         *  （3）General Tablespaces
         *  （4）Undo Tablespaces
         *  （5）Temporary Tablespaces
         *  （6）Doublewrite Buffer Files
         *  （7）Redo Log
     *  3、后台线程
     *   *  （1）Master Thread
         *  （2）IO Thread
         *  （3）Purge Thread
         *  （4）Page Cleaner Thread
 *  三、事务原理
 *   *  1、事务基础
     *  2、redo log
     *  3、undo log

## 一、逻辑存储架构 ##

InnoDB的逻辑存储结构如下图所示:

![在这里插入图片描述][2c3a8f5f25c34051849f9b145e09ce66.png_pic_center]

### 1、表空间 ###

表空间是InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层， **如果用户启用了参数 innodb\_file\_per\_table(在 8.0版本中默认开启) ，则每张表都会有一个表空间（xxx.ibd）**，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。

### 2、段 ###

段，分为**数据段**（Leaf node segment）、**索引段**（Non-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）。

### 3、区 ###

区，表空间的单元结构，**每个区的大小为1M**。 默认情况下， InnoDB存储引擎页大小为16K， 即**一个区中一共有64个连续的页。**

### 4、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申请 4-5 个区。**

### 5、行 ###

行，InnoDB 存储引擎数据是按行进行存放的。

在行中，默认有两个隐藏字段：

*  **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：****每次对某条引记录进行改动时，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。**

## 二、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

![在这里插入图片描述][d77cdbe2fed74733a20122889392f155.png_pic_center]

### 1、内存结构 ###

![在这里插入图片描述][0e165725781f420c8539ad93332f499e.png_pic_center]

在左侧的内存结构中，主要分为这么四大块儿： **Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index、Log Buffer。**接下来介绍一下四个部分

#### （1）Buffer Pool ####

InnoDB存储引擎基于磁盘文件存储，访问物理硬盘和在内存中进行访问，速度相差很大，为了尽可能弥补这两者之间的I/O效率的差值，就需要把经常使用的数据加载到缓冲池中，避免每次访问都进行磁 盘I/O。 在InnoDB的缓冲池中不仅缓存了索引页和数据页，还包含了undo页、插入缓存、自适应哈希索引以及 InnoDB的锁信息等等。

缓冲池 Buffer Pool，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，也中数据与磁盘的数据产生了不一致。**

在专用服务器上，通常将多达80％的物理内存分配给缓冲池 。参数设置： show variables like ‘innodb\_buffer\_pool\_size’;

![在这里插入图片描述][62a52e66fd7d4d4cb21272fd8ec3da68.png_pic_center]

#### （2）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的意义是什么呢? 先来看一幅图，这个是二级索引的结构图

![在这里插入图片描述][abd691b1a2d84537b6f2333c85be817b.png_pic_center]

**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 ChangeBuffer之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘IO。

#### （3）Adaptive Hash Index ####

**自适应hash索引，用于优化对Buffer Pool数据的查询**。MySQL的innoDB引擎中虽然没有直接支持 hash索引，但是给我们提供了一个功能就是这个自适应hash索引。因为前面我们知道，**hash索引在进行等值匹配时，一般性能是要高于B+树的，因为hash索引一般只需要一次IO即可**，而B+树，可能需要几次匹配，所以hash索引的效率要高，但是**hash索引又不适合做范围查询、模糊匹配**等。

**InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到在特定的条件下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

#### （4）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 I/O**。

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，取值主要包含以下三个：

1: 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘，默认值。

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。

![在这里插入图片描述][380896197d5145da91909d4edcaac264.png_pic_center]

### 2、磁盘结构 ###

InnoDB体系结构的右边部分，也就是磁盘结构：

![在这里插入图片描述][b8c5506daead42d999d3f4193f2de4c7.png_pic_center]

#### （1）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

![在这里插入图片描述][98dc00cd4e6745409eb77b8f5b2ba593.png_pic_center]

系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。

#### （2）File-Per-Table Tablespaces ####

如果开启了innodb\_file\_per\_table开关 ，则**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**。

**开关参数：innodb\_file\_per\_table ，该参数默认开启。**

![在这里插入图片描述][149ad5ba79f648eab56dab8eddc3f9e7.png_pic_center]

那也就是说，我们没创建一个表，都会产生一个表空间文件，如图：

![在这里插入图片描述][1ccca178a4234051b744c70f508b8e98.png_pic_center]

#### （3）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。**

A. 创建表空间

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

![在这里插入图片描述][936a7fa0d01d488d8db299503d28fb83.png_pic_center]

B. 创建表时指定表空间

CREATE TABLE xxx ... TABLESPACE ts_name

![在这里插入图片描述][dfaecde93c004c5e994d0ed0ea063710.png_pic_center]

#### （4）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（初始大小16M）**，**用于存储undo log日志**。

#### （5）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。

#### （6）Doublewrite Buffer Files ####

双写缓冲区，innoDB引擎将数据页从Buffer Pool刷新到磁盘前，先将数据页写入双写缓冲区文件中，**便于系统异常时恢复数据。**

![在这里插入图片描述][122d14eb1ee34a7291ed9d48e9dfc739.png_pic_center]

#### （7）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，后者在磁盘中。**当事务提交之后会把所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：

![在这里插入图片描述][05bdad643a8f461184824fbc2cedf08e.png_pic_center]

前面介绍了InnoDB的内存结构，以及磁盘结构，那么内存中我们所更新的数据，又是如何到磁盘中的？ 此时，就涉及到一组后台线程，接下来，介绍一些InnoDB中涉及到的后台线程。

![在这里插入图片描述][348c0b96934b494889ae9d6a4644b2e6.png_pic_center]

### 3、后台线程 ###

![在这里插入图片描述][777231f7f2ce439a9a8b78b9f031dea3.png_pic_center]

在InnoDB的后台线程中，分为4类，分别是：**Master Thread 、IO Thread、Purge Thread、 Page Cleaner Thread。**

#### （1）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**

#### （2）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。

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

可以通过以下的这条指令，查看到InnoDB的状态信息，其中就包含IO Thread信息

show engine innodb status \G;

![在这里插入图片描述][647d74557a454a4ab70881b1b446bde2.png_pic_center]

#### （3）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。

#### （4）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。

## 三、事务原理 ##

### 1、事务基础 ###

（1）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。

（2）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离机制，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就是永久的。

实际上，我们研究事务的原理，就是研究MySQL的InnoDB引擎是如何保证事务的这四大特性的。

![在这里插入图片描述][988f907ed39b419eb05a896afe3656e9.png_pic_center]

而对于这四大特性，实际上分为两个部分。 其中的原子性、一致性、持久化，实际上是由InnoDB中的两份日志来保证的，一份是redo log日志，一份是undo log日志。 而持久性是通过数据库的锁， 加上MVCC来保证的。

![在这里插入图片描述][e6bc1948790240f9a86fc71ce3841da2.png_pic_center]

在理解事务原理的时候，主要就是来研究一下redolog，undolog以及MVCC。

### 2、redo log ###

**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,发生错误时, 进行数据恢复使用。

没有redolog，可能会存在什么问题的？

在InnoDB引擎中的内存结构中，主要的内存区域就是缓冲池，在缓冲池中缓存了很多的数据页。 当我们在一个事务中，执行多个增删改的操作时，InnoDB引擎会先操作缓冲池中的数据，如果缓冲区没有对应的数据，会通过后台线程将磁盘中的数据加载出来，存放在缓冲区中，然后将缓冲池中的数据修改，修改后的数据页我们称为脏页。而脏页则会在一定的时机，通过后台线程刷新到磁盘中，从而保证缓冲区与磁盘的数据一致。而缓冲区的脏页数据并不是实时刷新的，而是一段时间之后 将缓冲区的数据刷新到磁盘中，假如刷新到磁盘的过程出错了，而提示给用户事务提交成功，而数据却没有持久化下来，这就出现问题了，没有保证事务的持久性。

![在这里插入图片描述][f7ec85ff06f842eaae4663b3c03243ef.png_pic_center]

如何解决上述的问题呢？ 在InnoDB中提供了一份日志 redo log，接下来我们再来分析一 下，通过redolog如何解决这个问题。

![在这里插入图片描述][e488339588f6484dba782309ca1d2150.png_pic_center]

有了redolog之后，当对缓冲区的数据进行增删改之后，会首先将操作的数据页的变化，记录在redo log buffer中。在事务提交时，会将redo log buffer中的数据刷新到redo log磁盘文件中。 过一段时间之后，如果刷新缓冲区的脏页到磁盘时，发生错误，此时就可以借助于redo log进行数据恢复，这样就保证了事务的持久性。 而如果脏页成功刷新到磁盘或者涉及到的数据已经落盘，此 时redolog就没有作用了，就可以删除了，所以存在的两个redolog文件是循环写的。

为什么每一次提交事务，要刷新redo log 到磁盘中呢，而不是直接将buffer pool中的脏页刷新到磁盘呢 ?

因为在业务操作中，我们操作数据一般都是随机读写磁盘的，而不是顺序读写磁盘。 而redo log在 往磁盘文件中写入数据，由于是日志文件，所以都是顺序写的。顺序写的效率，要远大于随机写。 这种先写日志的方式，称之为 WAL（Write-Ahead Logging）。

### 3、undo log ###

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**(保证事务的原子性) 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，反之亦然，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。

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