【MySQL】运行原理(一):查询sql的执行过程及MySQL架构分析

MySQL的发展历史和版本分支:

时间 里程碑
1996 年 MySQL1.0 发布。它的历史可以追溯到 1979 年,作者 Monty 用 BASIC 设计的一个报表工具。
1996 年 10 月 3.11.1 发布。MySQL 没有 2.x 版本。
2000 年 ISAM 升级成 MyISAM 引擎。MySQL 开源。
2003 年 MySQL4.0 发布,集成 InnoDB 存储引擎
2005 年 MySQL5.0 版本发布,提供了视图、存储过程等功能。
2008 年 MySQLAB 公司被 Sun 公司收购,进入 SunMySQL 时代。
2009 年 Oracle 收购 Sun 公司,进入 OracleMySQL 时代。
2010 年 MySQL5.5 发布,InnoDB 成为默认的存储引擎。
2016 年 MySQL 发布 8.0.0 版本。为什么没有 6、7?5.6 可以当成 6.x,5.7 可以当 成 7.x。

因为MySQL是开源的(也有收费版本),所以在MySQL稳定版本的基础上也发展出来了很多的分支,就像Linux一样,有Ubuntu、RedHat、CentOS、 Fedora 、Debian等等。大家最熟悉的应该是MariaDB,因为CentOS7里面自带了一个MariaDB。它是怎么来的呢?Oracle收购MySQL之后,MySQL创始人之一Monty担心MySQL数据库发展的未来(开发缓慢,封闭,可能会被闭源),就创建了一个分支MariaDB,默认使用全新的Maria存储引擎,它是原MyISAM存储引擎的升级版本。

其他流行分支:

  • Percona Server 是MySQL重要的分支之一,它基于InnoDB存储引擎的基础上,提升了性能和易管理性,最后形成了增强版的XtraDB引擎,可以用来更好地发挥服务器硬件上的性能。
  • 国内也有一些MySQL的分支或者自研的存储引擎,比如网易的InnoSQL,极数云舟的ArkDB。

我们操作数据库有各种各样的方式,比如Linux 系统中的命令行,比如数据库工具Navicat,比如程序,例如Java语言的JDBC API或者ORM框架。但大家有没有思考过,当我们的工具或者程序连接到数据库之后,实际上发生了什么事情?它的内部是怎么工作的?


下面以数据查询为例,来看下MySQL的工作流程是什么样的:

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我们的程序或者工具要操作数据库,第一步要做什么事情?跟数据库建立连接。

1.与数据库建立连接

首先,MySQL必须要运行一个服务,监听默认的3306端口。在我们开发系统跟第三方对接的时候,必须要弄清楚的有两件事。

  • 第一个就是通信协议,比如我们是用HTTP还是WebService还是TCP?
  • 第二个是消息格式,比如我们用XML格式,还是JSON格式,还是定长格式?报文头长度多少,包含什么内容,每个字段的详细含义?

1.1 通信类型和连接方式

MySQL是支持多种通信协议的,可以使用同步/异步的方式,支持长连接/短连接。这里我们拆分来看。

通信类型:同步或者异步

  • 同步通信的特点:

    • 同步通信依赖于被调用方,受限于被调用方的性能。也就是说,应用操作数据库,线程会阻塞,等待数据库的返回
    • 一般只能做到一对一,很难做到一对多的通信
  • 异步跟同步相反:

    • 异步可以避免应用阻塞等待,但是不能节省SQL执行的时间
    • 如果异步存在并发,每一个SQL的执行都要单独建立一个连接,避免数据混乱。但是这样会给服务端带来巨大的压力(一个连接就会创建一个线程,线程间切换会占用大量CPU资源)。另外异步通信还带来了编码的复杂度,所以一般不建议使用。如果要异步,必须使用连接池,排队从连接池获取连接而不是创建新连接

    一般来说我们连接数据库都是同步连接。

连接方式:长连接或者短连接

MySQL既支持短连接,也支持长连接。短连接就是操作完毕以后,马上close 掉。长连接可以保持打开,减少服务端创建和释放连接的消耗,后面的程序访问的时候还可以使用这个连接。一般我们会在连接池中使用长连接。

保持长连接会消耗内存。长时间不活动的连接,MySQL服务器会断开。那这个超时时间怎么查看呢?

show global variables like 'wait_timeout'; -- 非交互式超时时间,如 JDBC 程序 
show global variables like' interactive_timeout'; -- 交互式超时时间,如数据库工具

执行结果如下图。默认都是28800秒,8小时

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我们怎么查看MySQL当前有多少个连接?可以用show status命令:

show global status like 'Thread%';

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  • Threads_cached:缓存中的线程连接数
  • Threads_connected:当前打开的连接数
  • Threads_created:为处理连接创建的线程数
  • Threads_running:非睡眠状态的连接数,通常指并发连接数

有了连接数,怎么知道当前连接的状态?可以使用show processlist命令,(root用户)查看SQL的执行状态。

SHOW PROCESSLIST; 

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从上面的Threads_connected可以看到当前有4个连接,所以这里的显示了4个连接状态。那Command这一列是什么意思呢?一些常见的状态:

状态 含义
Sleep 线程正在等待客户端,以向它发送一个新语句
Query 线程正在执行查询或往客户端发送数据
Locked 该查询被其它查询锁定
Copying to tmp tableondisk 临时结果集合大于 tmp_table_size。线程把临时表从存储器内部格式改 变为磁盘模式,以节约存储器
Sendingdata 线程正在为 SELECT 语句处理行,同时正在向客户端发送数据
Sortingforgroup 线程正在进行分类,以满足 GROUPBY 要求
Sortingfororder 线程正在进行分类,以满足 ORDERBY 要求

还有个问题,MySQL服务允许的最大连接数是多少呢?

show variables like 'max_connections';

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在5.7版本中默认是151个,最大可以设置成16384(2^14)。

set global max_connections=1000;

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1.2 MySQL支持哪些通信协议

第一种是Unix Socket。比如我们在Linux服务器上,如果没有指定-h参数,它就用socket方式登录。如下图(省略
了-S /var/lib/mysql/mysql.sock)

在这里插入图片描述

它不用通过网络协议,也可以连接到MySQL的服务器,它需要用到服务器上的一个物理文件(/var/lib/mysql/mysql.sock)

select @@socket;

如果有参数-h指定主机,就会用第二种方式,TCP/IP协议。

mysql -h192.168.8.211 -uroot -p123456

我们的编程语言的连接模块都是用 TCP 协议连接到 MySQL 服务器的,比如 mysql-connector-java-x.x.xx.jar。

在这里插入图片描述

1.3 MySQL采用什么通信方式

通信方式分为以下三种:

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  • 单工:在两台计算机通信的时候,数据的传输是单向的。比如遥控器
  • 半双工:在两台计算机之间,数据传输是双向的,你可以给我发送,我也可以给你发送,但是在这个通讯连接里面,同一时间只能有一台服务器在发送数据,也就是你要给我发的话,也必须等我发给你完了之后才能给我发。比如对讲机
  • 全双工:数据的传输是双向的,并且可以同时传输。比如打电话

那MySQL应该采用哪种通信方式呢?半双工的通信方式,因为客户端与服务端肯定是双向通信的,而且要么是客户端向服务端发送数据,要么是服务端向客户端发送数据,这两个动作不能同时发生。

客户端发送SQL语句给服务端的时候,(在一次连接里面)数据是不能分成小块发送的,不管你的SQL语句有多大,都是一次性发送。比如我们用MyBatis动态SQL生成了一个批量插入的语句, 插入10万条数据, values后面跟了一长串的内容,或者where条件in里面的值太多,会出现问题。这个时候我们必须要调整MySQL服务器配置 max_allowed_packet 参数的值(默认是4M),把它调大,否则就会报错。

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另一方面,对于服务端来说,也是一次性发送所有的数据,不能因为你已经取到了想要的数据就中断操作,这个时候会对网络和内存产生大量消耗。所以,我们一定要在程序里面避免不带limit 的这种操作,比如一次把所有满足条件的数据全部查出来,一定要先count一下。如果数据量的话,可以分批查询。

执行一条查询语句,客户端跟服务端建立连接之后呢?下一步要做什么?

2.查询缓存

MySQL内部自带了一个缓存模块。缓存的作用我们应该很清楚了,把数据以KV的形式放到内存里面,可以加快数据的读取速度,也可以减少服务器处理的时间。但是MySQL的缓存我们好像比较陌生,从来没有去配置过,也不知道它什么时候生效?假如 t_user 表有500万行数据,没有索引。我们在没有索引的字段上执行同样的查询,大家觉得第二次会快吗?

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可以看到MySQL缓存是默认关闭的。默认关闭的意思就是不推荐使用,为什么MySQL不推荐使用它自带的缓存呢?

主要是因为MySQL自带的缓存的应用场景有限,需要满足以下两个要求:

  • 它要求SQL语句必须一模一样,中间多一个空格,字母大小写不同都被认为是不同的的SQL。
  • 表里面任何一条数据发生变化的时候,这张表所有缓存都会失效,所以对于有大量数据更新的应用,也不适合。

所以缓存这一块,我们还是交给ORM框架(比如MyBatis默认开启了一级缓存),或者独立的缓存服务,比如Redis来处理更合适。在MySQL 8.0中,查询缓存已经被移除了。

我们没有使用缓存的话,就会跳过缓存的模块,下一步我们要做什么呢?

3. 语法解析和预处理

这里我会有一个疑问,为什么我的一条SQL语句能够被识别呢?假如我随便执行一个字符串penyuyan,服务器报了一个1064的错:

在这里插入图片描述

它是怎么知道我输入的内容是错误的?这个就是MySQL的Parser解析器和Preprocessor预处理模块。这一步主要做的事情是对语句基于SQL语法进行词法和语法分析和语义的解析。

3.1 词法分析

词法分析就是把一个完整的SQL语句打碎成一个个的单词。比如一个简单的SQL语句:

select username from t_user where id = 1;

它会打碎成8个符号,每个符号是什么类型,从哪里开始到哪里结束。

3.2 语法分析

第二步就是语法分析,语法分析会对SQL做一些语法检查,比如单引号有没有闭合,然后根据MySQL定义的语法规则,根据SQL语句生成一个数据结构。这个数据结构我们把它叫做解析树(select_lex)。

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任何数据库的中间件,比如 Mycat,Sharding-JDBC(用到了Druid Parser),都必须要有词法和语法分析功能,在市面上也有很多的开源的词法解析的工具(比如LEX,Yacc)。

3.3 预处理器

问题:如果我写了一个词法和语法都正确的SQL,但是表名或者字段不存在,会在哪里报错?是在数据库的执行层还是解析器?比如:

select * from penyuyan;

解析器可以分析语法,但是它怎么知道数据库里面有什么表,表里面有什么字段呢?实际上还是在解析的时候报错,解析SQL的环节里面有个预处理器。它会检查生成的解析树,解决解析器无法解析的语义。比如,它会检查表和列名是否存在,检查名字和别名,保证没有歧义。预处理之后得到一个新的解析树。

4.查询优化得到执行计划

得到解析树之后,是不是执行SQL语句了呢?这里我们有一个问题,一条SQL语句是不是只有一种执行方式?或者说数据库最终执行的SQL是不是就是我们发送的SQL?

这个答案是否定的。一条SQL语句是可以有很多种执行方式的,最终返回相同的结果,他们是等价的。但是如果有这么多种执行方式,这些执行方式怎么得到的?最终选择哪一种去执行?根据什么判断标准去选择?

这个就是MySQL的查询优化器的模块(Query Optimizer)。

4.1 什么是优化器?

查询优化器的目的就是根据解析树生成不同的执行计划(ExecutionPlan),然后选择一种最优的执行计划。MySQL里面使用的是基于开销(cost)的优化器,哪种执行计划开销最小,就用哪种。可以使用这个命令查看查询的开销:

show status like 'Last_query_cost';

mysql官网关于这里的参考,想了解更多的同学可以看看

4.2 优化器可以做什么?

MySQL的优化器能处理哪些优化类型呢?举两个简单的例子:

  1. 当我们对多张表进行关联查询的时候,以哪个表的数据作为基准表
  2. 有多个索引可以使用的时候,选择哪个索引

实际上,对于每一种数据库来说,优化器的模块都是必不可少的,他们通过复杂的算法实现尽可能优化查询效率的目标。如果对于优化器的细节感兴趣,可以看看《数据库查询优化器的艺术-原理解析与SQL性能优化》。

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但是优化器也不是万能的,并不是再垃圾的SQL语句都能自动优化,也不是每次都能选择到最优的执行计划,大家在编写SQL语句的时候还是要注意。

如果我们想知道优化器是怎么工作的,它生成了几种执行计划,每种执行计划的cost是多少,应该怎么做?

4.3 优化器得到执行计划的过程?

首先,我们要启用优化器的追踪(默认是关闭的):

SHOW VARIABLES LIKE 'optimizer_trace'; 
set optimizer_trace = 'enabled=on';

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注意,开启这开关是会消耗性能的,因为它要把优化分析的结果写到表里面,所以不要轻易开启,或者查看完之后关闭它(改成off)。接着我们执行一个SQL语句,优化器会生成执行计划(下面是一个两表联查):

SELECT d.username,i.phone from user_info i,user_detail d WHERE i.id=d.user_id;

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这个时候优化器分析的过程已经记录到系统表里面了,我们可以查询

select * from information_schema.optimizer_trace\G;

如果是直接在Navicat中执行,那么得到结果只是短短一行数据,并没有完整的执行计划

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所以,此处应该是在命令行中执行:

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得到的优化器分析的过程是一个JSON类型的数据,主要分成三部分,准备阶段、优化阶段和执行阶段。

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那具体的优化计划在哪呢?在优化阶段(“join_optimization”)中的 considered_execution_plans

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最后,分析完记得关掉它:

set optimizer_trace="enabled=off"; 
SHOWVARIABLESLIKE'optimizer_trace';

优化完之后,得到一个什么东西呢?

4.4 如何查看最终执行计划?

优化器最终会把解析树变成一个查询执行计划,查询执行计划是一个数据结构。

当然,这个执行计划是不是一定是最优的执行计划呢?不一定,因为MySQL也有可能覆盖不到所有的执行计划。我们怎么查看MySQL的执行计划呢?比如多张表关联查询,先查询哪张表?在执行查询的时候可能用到哪些索引,实际上用到了什么索引?

MySQL提供了一个执行计划的工具。我们在SQL语句前面加上EXPLAIN,就可以看到执行计划的信息。

5.存储引擎,存储数据

得到执行计划以后,SQL语句是不是终于可以执行了?问题又来了:

  1. 从逻辑的角度来说,我们的数据是放在哪里的,或者说放在一个什么结构里面?
  2. 执行计划在哪里执行?是谁去执行?

5.1 存储引擎基本介绍

我们先回答第一个问题:在关系型数据库里面,数据是放在什么结构里面的?放在表Table里面的,我们可以把这个表理解成Excel电子表格的形式。所以我们的表在存储数据的同时,还要组织数据的存储结构,这个存储结构就是由我们的存储引擎决定的,所以我们也可以把存储引擎叫做表类型。

在MySQL里面,支持多种存储引擎,他们是可以替换的,所以叫做插件式的存储引擎。为什么要搞这么多存储引擎呢?一种还不够用吗?这个问题先留着。

5.2 查看存储引擎

比如我们数据库里面已经存在的表,我们怎么查看它们的存储引擎呢?

show table status from `forum`; --forum是指定数据库名

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另外,还通过DDL建表语句来查看。

在MySQL里面,我们创建的每一张表都可以指定它的存储引擎,而不是一个数据库只能使用一个存储引擎。存储引擎的使用是以表为单位的。而且,创建表之后还可以修改存储引擎。

我们说一张表使用的存储引擎决定我们存储数据的结构,那在服务器上它们是怎么存储的呢?我们先要找到数据库存放数据的路径:

show variables like 'datadir';

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默认情况下,每个数据库有一个自己文件夹,以forum数据库为例。

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任何一个存储引擎都有一个frm文件,这个是表结构定义文件。不同的存储引擎存放数据的方式不一样,产生的文件也不一样,innodb 是 1 个,memory没有,myisam是两个。

这些存储引擎的差别在哪呢?

5.3 存储引擎比较

MyISAM 和InnoDB 是我们用得最多的两个存储引擎,在 MySQL 5.5 版本之前,默认的存储引擎是MyISAM,它是MySQL自带的。我们创建表的时候不指定存储引擎,它就会使用MyISAM作为存储引擎。MyISAM的前身是ISAM(IndexedSequentialAccessMethod:利用索引,顺序存取数据的方法)。

5.5版本之后默认的存储引擎改成了InnoDB,它是第三方公司为MySQL开发的。为什么要改呢?最主要的原因还是InnoDB 支持事务,支持行级别的锁,对于业务一致性要求高的场景来说更适合。

这个里面又有Oracle和MySQL公司的一段恩怨情仇。


InnoDB本来是InnobaseOy公司开发的, 它和MySQLAB公司合作开源了InnoDB的代码。但是没想到MySQL的竞争对手Oracle把InnobaseOy收购了。后来08年Sun公司(开发Java语言的Sun)收购了MySQLAB,09年Sun公司又被 Oracle 收购了,所以 MySQL,InnoDB 又是一家了。有人觉得 MySQL 越来越像Oracle,其实也是这个原因。


那么除了这两个我们最熟悉的存储引擎,数据库还支持其他哪些常用的存储引擎呢?我们可以用这个命令查看数据库对存储引擎的支持情况:

show engines;

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其中有存储引擎的描述和对事务、XA协议和Savepoints的支持。

  • XA协议用来实现分布式事务(分为本地资源管理器,事务管理器)。
  • Savepoints用来实现子事务(嵌套事务)。创建了一个Savepoints之后,事务就可以回滚到这个点,不会影响到创建Savepoints之前的操作。

这些数据库支持的存储引擎,分别有什么特性呢?

  • MyISAM(3 个文件)

    应用范围比较小。表级锁定限制了读/写的性能,因此在Web 和数据仓库配置中,它通常用于只读或以读为主的工作。

    • 支持表级别的锁(插入和更新会锁表)。不支持事务

    • 拥有较高的插入(insert)和查询(select)速度

    • 存储了表的行数(count速度更快)。(怎么快速向数据库插入100万条数据?我们有一种先用MyISAM插入数据,然后修改存储引擎为InnoDB的操作)

    • 适用:只读之类的数据分析的项目

  • InnoDB(2 个文件)

    mysql5.7中的默认存储引擎。 InnoDB是一个事务安全(与ACID兼容)的MySQL存储引擎,它具有提交、回滚和崩溃恢复功能来保护用户数据。InnoDB行级锁(不升级为更粗粒度的锁)和Oracle风格的一致非锁读提高了多用户并发性和性能。InnoDB将用户数据存储在聚集索引中,以减少基于主键的常见查询的I/O。为了保持数据完整性,InnoDB还支持外键引用完整性约束。

    • 支持事务,支持外键,因此数据的完整性、一致性更高

    • 支持行级别的锁和表级别的锁

    • 支持读写并发,写不阻塞读(MVCC)

    • 特殊的索引存放方式,可以减少IO,提升查询效率

    • 适用:经常更新的表,存在并发读写或者有事务处理的业务系统

  • Memory(1 个文件)

    将所有数据存储在RAM中,以便在需要快速查找非关键数据的环境中快速访问。这个引擎以前被称为堆引擎。其使用案例正在减少; InnoDB及其缓冲池内存区域提供了一种通用、持久的方法来将大部分或所有数据保存在内存中,而ndbcluster为大型分布式数据集提供了快速的键值查找。

    • 把数据放在内存里面,读写的速度很快,但是数据库重启或者崩溃,数据会全部消失。只适合做临时表。
    • 将表中的数据存储到内存中
  • CSV(3 个文件)

    它的表实际上是带有逗号分隔值的文本文件。 csv表允许以csv格式导入或转储数据,以便与读写相同格式的脚本和应用程序交换数据。因为csv 表没有索引,所以通常在正常操作期间将数据保存在innodb表中,并且只在导入或导出阶段使用csv表。

    不允许空行,不支持索引。格式通用,可以直接编辑,适合在不同数据库之间导入导出。

  • Archive(2 个文件)

    这些紧凑的未索引的表用于存储和检索大量很少引用的历史、存档或安全审计信息。

    不支持索引,不支持update delete.

这是MySQL里面常见的一些存储引擎,我们看到了,不同的存储引擎提供的特性都不一样,它们有不同的存储机制、索引方式、锁定水平等功能。我们在不同的业务场景中对数据操作的要求不同,就可以选择不同的存储引擎来满足我们的需求,这个就是MySQL支持这么多存储引擎的原因。

5.4 如何选择存储引擎?

  • 如果对数据一致性要求比较高,需要事务支持,可以选择InnoDB。
  • 如果数据查询多更新少,对查询性能要求比较高,可以选择MyISAM。
  • 如果需要一个用于查询的临时表,可以选择Memory。
  • 如果所有的存储引擎都不能满足你的需求,并且技术能力足够,可以根据官网内部手册用C语言开发一个存储引擎

6.执行引擎,返回结果

OK,存储引擎分析完了,它是我们存储数据的形式,继续第二个问题,是谁使用执行计划去操作存储引擎呢?这就是我们的执行引擎,它利用存储引擎提供的相应的API来完成操作。为什么我们修改了表的存储引擎,操作方式不需要做任何改变?因为不同功能的存储引擎实现的API是相同的。

最后把数据返回给客户端,即使没有结果也要返回。

==> MySQL架构

基于上面分析的流程,我们一起来梳理一下MySQL的内部模块。

1.模块详解

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  1. Connector:用来支持各种语言和SQL的交互,比如PHP,Python,Java的 JDBC
  2. Management Serveices & Utilities:系统管理和控制工具,包括备份恢复、MySQL复制、集群等等
  3. Connection Pool:连接池,管理需要缓冲的资源,包括用户密码权限线程等等
  4. SQL Interface:用来接收用户的SQL命令,返回用户需要的查询结果
  5. Parser:用来解析SQL语句
  6. Optimizer:查询优化器
  7. CacheandBuffer:查询缓存,除了行记录的缓存之外,还有表缓存,Key缓存,权限缓存等等
  8. Pluggable Storage Engines:插件式存储引擎,它提供API给服务层使用,跟具体的文件打交道

2.架构分层

总体上,我们可以把MySQL分成三层,跟客户端对接的连接层,真正执行操作的服务层,和跟硬件打交道的存储引擎层(参考MyBatis:接口、核心、基础)。

  1. 连接层

    我们的客户端要连接到MySQL服务器3306端口,必须要跟服务端建立连接,那么管理所有的连接,验证客户端的身份和权限,这些功能就在连接层完成。

  2. 服务层

    连接层会把SQL语句交给服务层,这里面又包含一系列的流程:比如查询缓存的判断、根据SQL调用相应的接口,对我们的SQL语句进行词法和语法的解析(比如关键字怎么识别,别名怎么识别,语法有没有错误等等)。

    然后就是优化器,MySQL底层会根据一定的规则对我们的 SQL语句进行优化,最后再交给执行器去执行。

  3. 存储引擎

    存储引擎就是我们的数据真正存放的地方,在MySQL里面支持不同的存储引擎。再往下就是内存或者磁盘。

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