⑩⑧【MySQL】InnoDB架构、事务原理、MVCC多版本并发控制

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发布于 2023-11-21 09:48:29

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⑩⑧【MySQL】详解InnoDB存储引擎

1. InnoDB逻辑存储结构

InnoDB逻辑存储结构：

?表空间（idb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) 、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) 。
?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。
?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。
?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。

2. InnoDB架构

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。

?内存架构

内存结构 - In-Memory Structures：

?Buffer Poll：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：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，而会将数据变更存放在更改缓冲区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。
更改缓冲区Change Buffer的意义是什么？
- 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。

?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。

-- innodb中，自适应hash索引的参数：innodb_adaptive_hash_index
-- 查看是否开启了 自适应hash
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_adaptive_hash_index';

?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
-- 缓冲区大小：innodb_log_buffer_size
-- 日志刷新到磁盘时机：innodb_flush_log_at_trx_commit
-- 查看：
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_log_buffer_size';
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_flush_log_at_trx_commit';
#或
SELECT @@innodb_log_buffer_size;
SELECT @@innodb_flush_log_at_trx_commit;

日志刷新到磁盘时机：innodb_flush_log_at_trx_commit（值：0/1/2）

?磁盘架构

磁盘结构 On-Disk Structures：

?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创建，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、undologs等)。

#参数 : innodb_data_file_path
-- 查看相关信息
SHOW VARIABLES LIKE '%data_file_path%';

?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
SHOW VARIABLES LIKE '%file_per_table%';

?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，可以指定通用表空间。

-- 创建通用表空间
CREATE TABLESPACE 通用表空间名称 ADD
DATAFILE '表空间文件名'
ENGINE = 存储引擎名;

-- 创建表时指定关联的通用表空间
CREATE TABLE 表名(
	字段1 字段1类型 [COMMENT 字段1注释],
    字段2 字段2类型 [COMMENT 字段2注释],
    字段3 字段3类型 [COMMENT 字段3注释],
    ...
    字段n 字段n类型 [COMMENT 字段n注释]
)[COMMENT 表注释] TABLESPACE 通用表空间名称;

?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。
?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：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。 （双写缓冲区文件：xxx.dblwr文件）
?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 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。

?后台线程

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(异步非阻塞IO)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。
在这里插入图片描述
?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. 事务的原理

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。

事务四大特性：

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，它对数据库数据的改变就是永久的。

?redo log

重做日志 - 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。

?undo log

回滚日志 - 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 和 MVCC(多版本并发控制) 。

undo log 和redo log 记录物理日志不一样，undo log 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。

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\update\insert\delete..for update(排他锁)都是一种当前读 。

快照读：

简单的select(不加锁)就是快照读，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。

事务隔离级别：
- 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。

多版本并发控制 - 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，还需要依赖于数据库记录中的：三个隐式字段、undo log日志、readView。

?MVCC实现原理

表的隐藏字段：

undo log - 回滚日志：

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生成一条记录版本链表，链表的头部是最新的旧记录，链表尾部是最早的旧记录。
在这里插入图片描述