MySQL架构原理4 InnoDB存储引擎结构（了解）

4 InnoDB存储引擎结构（了解）

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。

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age，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。脏页既存在于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。

• Iru 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BP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链表的页，将内存空间释放分配给新的页。

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。

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。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，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。

日志刷新到磁盘。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OS cache->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○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

BP缓冲区跟日志缓冲区在刷新数据上不同，可以直接跨过OS cache写磁盘。

磁盘结构

InnoDB磁盘结构存在5种表空间结构：共享表空间、独立表空间、通用表空间（很少用）、undo表空间、临时表空间。默认创建表是采用独立表空间，当innodb_file_per_table=off时，采用共享表空间。

// 通用表空间结构，t1表存于ts1表空间中
create tablespace ts1 add datafile 'ts1.ibd' engine=innodb;
create table t1(c1 int primary key) tablespace ts1;

系统表空间包含InnoDB数据字典，Doublewrite Buffer，Change Buffer，Undo Logs的存储区域。

• 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。

8.0版本磁盘结构的变化

• 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。

线程模型

InnoDB存储引擎线程模型包含4种线程，分别是Master Thread、IO Thread、Purge Thread、Page cleaner Thread。

• Master Thread：主线程，负责调度其他线程，优先级最高。作用是将缓冲池的数据异步刷新到磁盘，保证数据的一致性。包含：脏页的刷新（page cleaner thread）、undo页回收（purge thread）、redo日志刷新（log thread）、合并写缓冲等。内部有两个主处理，分别是每隔1秒和10秒处理。
• IO Thread：包括4类线程
  • read线程：将数据从磁盘读取到缓存page页；
  • write线程：将脏页刷新到磁盘
  • log线程：将日志缓冲区刷新到磁盘
  • insert buffer 线程：将写缓冲区刷新到磁盘。
• Purge Thread：事务提交后，回收已经分配的undo页。
• Page cleaner Thread：脏页刷盘后，响应的redo log也就可以覆盖使用。调write线程。

InnoDB数据文件

一个.ibd数据文件。tablespace-->.ibd-->segment（段）-->extent（区）-->page（页）-->row（行）