InnoDB引擎

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）、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+tree的叶子阶段；

  • 索引段即为B+Tree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。

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。

下图是InnoDB架构图，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构。

内存架构

• 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，内存与磁盘的数据不一致。

• 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。

  • 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数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：自适应hash索引，用于优化对bufferPool的数据查询。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，则简历索引，故称之为自适应哈希索引。

  • 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：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：日志刷新到磁盘的时机

      • 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘。

      • 每秒将日志写入并刷新到磁盘一次。

      • 日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次

磁盘结构

• 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：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：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。

  • create tablespace xxxxx add datafile ‘file_name’ engine = engine_name;

  • create table xxx… tablespace ts_name;

• 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。

• 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修改信息都会存在该日志中，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

后台线程的作用：在合适的时机，将InnoDB缓冲池中的数据存储到磁盘之中。

• 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。

• Purge Thread

  • 主要用于回收事务已经提交了的undo log（撤销日志），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。

事务原理

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，即这些操作同时成功或同时失败。

在mysql的InnoDB引擎中：redo log和undo log 保证事务的原子性、一致性、持久性。

锁和MVCC保证事务的隔离性。

• 特性

  • 原子性：事务是不可分割的最小操作单元。

  • 一致性：事务完成时，必须使所有的数据都保持一致状态。

  • 隔离性：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的独立环境下运行。

  • 持久性：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。

• 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日志文件中，用于刷新页到磁盘，发生错误是，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，他是逻辑日志。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rollbask segment回滚段中，内部包含1024个undo log segment。

MVCC

• 基本概念

  • 当前读

    • 读取记录的最新版本，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。

  • 快照读

    • 简单的select（不加锁）就是快照读，读取的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（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

  • 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。

  • 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undo log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。

  • 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
      creator_trx_id	readview创建者的事务ID

    • 版本链数据访问规则(trx_id:代表是当前事务ID)

      • trx_id == creator_trx_id

        • 可以访问该版本–>成立，说明数据是当前这个事务更改的。

      • trx_id < min_trx_id

        • 可以访问该版本，说明数据已经提交了

      • trx_id > max_trx_id

        • 不可以访问该版本，说明该事务是在readview生成后才开启。

      • min_trx_id<=trx_id<=max_trx_id

        • 如果trx_id不在m_ids中是可以访问该版本的，说明数据已经提交。

    • 不同的隔离记录，生成readView的时机不同

      • read committed：在事务中每一次执行快照读是都生成readview

      • repeatable read：仅在事务中第一次执行快照读时生成readview，后续复用该readview。