MySQLInnoDB存储引擎(一)：精谈innodb的存储结构

前言

虽然写者写过一期关于innodb的储存结构和b+树索引，但当时了解太少，所以理解和表达都很浅显，经过一段漫长时间的研究，对innodb的存储引擎也了解更多一些，所以来分享给大家。

MySQL存储引擎

存储引擎在MySQL的体系架构中位于第三层，负责MySQL中的数据的存储和提取，是与文件打交道的子系统，它是根据MySQL提供的文件访问层抽象接口定制的一种文件访问机制，这种机制就叫作存储引擎。
使用show engines命令，就可以查看当前数据库支持的引擎信息。

在5.5版本之前默认采用MyISAM存储引擎，从5.5开始采用InnoDB存储引擎。

• InnoDB：支持事务，具有提交，回滚和崩溃恢复能力，事务安全
• MyISAM：不支持事务和外键，访问速度快
• Memory：利用内存创建表，访问速度非常快，因为数据在内存，而且默认使用Hash索引，但是一旦关闭，数据就会丢失
• Archive：归档类型引擎，仅能支持insert和select语句
• Csv：以CSV文件进行数据存储，由于文件限制，所有列必须强制指定not null，另外CSV引擎也不支持索引和分区，适合做数据交换的中间表
• BlackHole: 黑洞，只进不出，进来消失，所有插入数据都不会保存
• Federated：可以访问远端MySQL数据库中的表。一个本地表，不保存数据，访问远程表内容
• MRG_MyISAM：一组MyISAM表的组合，这些MyISAM表必须结构相同，Merge表本身没有数据，对Merge操作可以对一组MyISAM表进行操作。

InnoDB和MyISAM对比

InnoDB和MyISAM是使用MySQL时最常用的两种引擎类型，我们重点来看下两者区别。

• 事务和外键
  InnoDB支持事务和外键，具有安全性和完整性，适合大量insert或update操作
  MyISAM不支持事务和外键，它提供高速存储和检索，适合大量的select查询操作

• 锁机制
  InnoDB支持行级锁，锁定指定记录。基于索引来加锁实现。
  MyISAM支持表级锁，锁定整张表。

• 索引结构
  InnoDB使用聚集索引（聚簇索引），索引和记录在一起存储，既缓存索引，也缓存记录。
  MyISAM使用非聚集索引（非聚簇索引），索引和记录分开。

• 并发处理能力
  MyISAM使用表锁，会导致写操作并发率低，读之间并不阻塞，读写阻塞。
  InnoDB读写阻塞可以与隔离级别有关，可以采用多版本并发控制（MVCC）来支持高并发

• 存储文件
  InnoDB表对应两个文件，一个.frm表结构文件，一个.ibd数据文件。InnoDB表最大支持64TB；
  MyISAM表对应三个文件，一个.frm表结构文件，一个MYD表数据文件，一个.MYI索引文件。从MySQL5.0开始默认限制是256TB。

• 适用场景
  MyISAM

  • 不需要事务支持（不支持）
  • 并发相对较低（锁定机制问题）
  • 数据修改相对较少，以读为主
  • 数据一致性要求不高

  InnoDB

  • 需要事务支持（具有较好的事务特性）
  • 行级锁定对高并发有很好的适应能力
  • 数据更新较为频繁的场景
  • 数据一致性要求较高
  • 硬件设备内存较大，可以利用InnoDB较好的缓存能力来提高内存利用率，减少磁盘IO

  InnoDB存储结构

  从MySQL 5.5版本开始默认使用InnoDB作为引擎，它擅长处理事务，具有自动崩溃恢复的特性，在日常开发中使用非常广泛。下面是官方的InnoDB引擎架构图，主要分为内存结构和磁盘结构两大部分
  

InnoDB内存结构

内存结构主要包括Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index和Log Buffer四大组件。

Buffer Pool

缓冲池，简称BP。BP以Page页为单位，默认大小16K，BP的底层采用链表数据结构管理Page。在InnoDB访问表记录和索引时会在Page页中缓存，以后使用可以减少磁盘IO操作，提升效率。

• Page管理机制
  Page根据状态可以分为三种类型：

  • 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

  针对上述三种page类型，InnoDB通过三种链表结构来维护和管理：

  • 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%。

• 改进型LRU算法维护

  • 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
  • 改性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。

• Buffer Pool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，简称CB。在进行DML操作时，如果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CB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。

ChangeBuffer占用BufferPool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innodb_change_buffer_max_size;

当更新一条记录时，该记录在BufferPool存在，直接在BufferPool修改，一次内存操作。如果该记录在BufferPool不存在（没有命中），会直接在ChangeBuffer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，会先进性磁盘读取，然后再从ChangeBuffer中读取信息合并，最终载入BufferPool中。

写缓冲区，仅适用于非唯一普通索引页，为什么？

如果在索引设置唯一性，在进行修改时，InnoDB必须要做唯一性校验，因此必须查询磁盘，做一次IO操作。会直接将记录查询到BufferPool中，然后在缓冲池修改，不会在ChangeBuffer操作。

Adaptive Hash Index

自适应哈希索引，用于优化对BP数据的查询。InnoDB存储引擎会监控对表索引的查找，如果观察到建立哈希索引可以带来速度的提升，则建立哈希索引，所以称之为自适应。InnoDB存储引擎会自动根据访问的频率和模式来为某些页建立哈希索引。

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。

LogBuffer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。

LogBuffer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

• 0 ： 每隔1秒写日志文件和刷盘操作（写日志文件LogBuffer–>OS cache，刷盘OScache–>磁盘文件），最多丢失1秒数据
• 1：事务提交，立刻写日志文件和刷盘，数据不丢失，但是会频繁IO操作
• 2：事务提交，立刻写日志文件，每隔1秒钟进行刷盘操作

InnoDB磁盘结构

InnoDB磁盘主要包含Tablespaces，InnoDB Data Dictionary，Doublewrite Buffer、Redo Log和Undo Logs。

表空间（Tablespaces）

用于存储表结构和数据。表空间又分为系统表空间、独立表空间、通用表空间、临时表空间、Undo表空间等多种类型；

• 系统表空间（The System Tablespace）
  包含InnoDB数据字典，Doublewrite Buffer，Change Buffer，Undo Logs的存储区域。系统表空间也默认包含任何用户在系统表空间创建的表数据和索引数据。系统表空间是一个共享的表空间因为它是被多个表共享的。该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)。

• 独立表空间（File-Per-Table Tablespaces）
  默认开启，独立表空间是一个单表表空间，该表创建于自己的数据文件中，而非创建于系统表空间中当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数据文件代表，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。

• 通用表空间（General Tablespaces）
  通用表空间为通过create tablespace语法创建的共享表空间。通用表空间可以创建于mysql数据目录外的其他表空间，其可以容纳多张表，且其支持所有的行格式。

CREATE TABLESPACE ts1 ADD DATAFILE ts1.ibd Engine=InnoDB; //创建表空间ts1
CREATE TABLE t1 (c1 INT PRIMARY KEY) TABLESPACE ts1; //将表添加到ts1表空间

• 撤销表空间（Undo Tablespaces）
  撤销表空间由一个或多个包含Undo日志文件组成。在MySQL 5.7版本之前Undo占用的是System Tablespace共享区，从5.7开始将Undo从System Tablespace分离了出来。InnoDB使用的undo表空间由innodb_undo_tablespaces配置选项控制，默认为0。参数值为0表示使用系统表空间ibdata1;大于0表示使用undo表空间undo_001、undo_002等。

• 临时表空间（Temporary Tablespaces）
  分为session temporary tablespaces 和global temporary tablespace两种。session temporary tablespaces 存储的是用户创建的临时表和磁盘内部的临时表。global temporary tablespace储存用户临时表的回滚段（rollback segments ）。mysql服务器正常关闭或异常终止时，临时表空间将被移除，每次启动时会被重新创建。

数据字典（InnoDB Data Dictionary）

InnoDB数据字典由内部系统表组成，这些表包含用于查找表、索引和表字段等对象的元数据。元数据物理上位于InnoDB系统表空间中。由于历史原因，数据字典元数据在一定程度上与InnoDB表元数据文件（.frm文件）中存储的信息重叠。

双写缓冲区（Doublewrite Buffer）

位于系统表空间，是一个存储区域。在BufferPage的page页刷新到磁盘真正的位置前，会先将数据存在Doublewrite 缓冲区。如果在page页写入过程中出现操作系统、存储子系统或mysqld进程崩溃，InnoDB可以在崩溃恢复期间从Doublewrite 缓冲区中找到页面的一个好备份。在大多数情况下，默认情况下启用双写缓冲区，要禁用Doublewrite 缓冲区，可以将innodb_doublewrite设置为0。使用Doublewrite 缓冲区时建议将innodb_flush_method设置为O_DIRECT。

重做日志（Redo Log）

重做日志是一种基于磁盘的数据结构，用于在崩溃恢复期间更正不完整事务写入的数据。MySQL以循环方式写入重做日志文件，记录InnoDB中所有对Buffer Pool修改的日志。当出现实例故障（像断电），导致数据未能更新到数据文件，则数据库重启时须redo，重新把数据更新到数据文件。读写事务在执行的过程中，都会不断的产生redo log。默认情况下，重做日志在磁盘上由两个名为ib_logfile0和ib_logfile1的文件物理表示。

撤销日志（Undo Logs）

撤消日志是在事务开始之前保存的被修改数据的备份，用于例外情况时回滚事务。撤消日志属于逻辑日志，根据每行记录进行记录。撤消日志存在于系统表空间、撤消表空间和临时表空间中。

新版本结构演变

• MySQL 5.7 版本

  • 将 Undo日志表空间从共享表空间 ibdata 文件中分离出来，可以在安装 MySQL 时由用户自行指定文件大小和数量。
  • 增加了 temporary 临时表空间，里面存储着临时表或临时查询结果集的数据。
  • Buffer Pool 大小可以动态修改，无需重启数据库实例。

• MySQL 8.0 版本

  • 将InnoDB表的数据字典和Undo都从共享表空间ibdata中彻底分离出来了，以前需要ibdata中数据字典与独立表空间ibd文件中数据字典一致才行，8.0版本就不需要了。
  • temporary 临时表空间也可以配置多个物理文件，而且均为 InnoDB 存储引擎并能创建索引，这样加快了处理的速度。
  • 用户可以像 Oracle 数据库那样设置一些表空间，每个表空间对应多个物理文件，每个表空间可以给多个表使用，但一个表只能存储在一个表空间中。
  • 将Doublewrite Buffer从共享表空间ibdata中也分离出来了。

  总结

  本节对innodb引擎介绍开个头，主要介绍一下innodb的存储结构和版本变更的差异。