4-1-1 MySQL架构原理

目录

      • 一、Mysql 的介绍
      • 二、MySQL架构原理
        • 2.1 MySQL体系架构
        • 2.2 MySQL运行机制
        • 2.3 MySQL存储引擎
          • 2.3.1 InnoDB和MyISAM对比
          • 2.3.2 InnoDB存储结构
            • 2.3.2.1 一、InnoDB内存结构
            • 2.3.2.2 二、InnoDB磁盘结构
            • 2.3.2.3 三、新版本结构演变

一、Mysql 的介绍

二、MySQL架构原理

2.1 MySQL体系架构

4-1-1 MySQL架构原理_第1张图片
MySQL Server架构自顶向下大致可以分网络连接层、服务层、存储引擎层和系统文件层。

  • 网络连接层
    客户端连接器(Client Connectors):提供与MySQL服务器建立的支持。目前几乎支持所有主流的服务端编程技术,例如常见的 Java、C、Python、.NET等,它们通过各自API技术与MySQL建立连接。

  • 服务层(MySQL Server)
    服务层是MySQL Server的核心,主要包含系统管理和控制工具、连接池、SQL接口、解析器、查询优化器和缓存六个部分。

    连接池(Connection Pool):负责存储和管理客户端与数据库的连接,一个线程负责管理一个连接。

    系统管理和控制工具(Management Services & Utilities):例如备份恢复、安全管理、集群管理等

    SQL接口(SQL Interface):用于接受客户端发送的各种SQL命令,并且返回用户需要查询的结果。比如DML、DDL、存储过程、视图、触发器等。

    解析器(Parser):负责将请求的SQL解析生成一个"解析树"。然后根据一些MySQL规则进一步检查解析树是否合法。

    查询优化器(Optimizer):当“解析树”通过解析器语法检查后,将交由优化器将其转化成执行计划,然后与存储引擎交互。
    select uid,name from user where gender=1;
    选取–》投影–》联接 策略
    1)select先根据where语句进行选取,并不是查询出全部数据再过滤
    2)select查询根据uid和name进行属性投影,并不是取出所有字段
    3)将前面选取和投影联接起来最终生成查询结果

    缓存(Cache&Buffer): 缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存,记录缓存,权限缓存,引擎缓存等。如果查询缓存有命中的查询结果,查询语句就可以直接去查询缓存中取数据。

  • 存储引擎层(Pluggable Storage Engines)
    存储引擎负责MySQL中数据的存储与提取,与底层系统文件进行交互。MySQL存储引擎是插件式的,服务器中的查询执行引擎通过接口与存储引擎进行通信,接口屏蔽了不同存储引擎之间的差异 。现在有很多种存储引擎,各有各的特点,最常见的是MyISAM和InnoDB。

  • 系统文件层(File System)
    该层负责将数据库的数据和日志存储在文件系统之上,并完成与存储引擎的交互,是文件的物理存储层。主要包含日志文件,数据文件,配置文件,pid 文件,socket 文件等。

    • 日志文件

      - 错误日志(Error log)
          	默认开启,show variables like '%log_error%';
        
        -	通用查询日志(General query log)
        	记录一般查询语句,show variables like '%general%';
        
        -	二进制日志(binary log)
        	记录了对MySQL数据库执行的更改操作,并且记录了语句的发生时间、执行时长;但是它不
        	记录select、show等不修改数据库的SQL。主要用于数据库恢复和主从复制。
        	show variables like '%log_bin%'; //是否开启
        	show variables like '%binlog%'; //参数查看
        	show binary logs;//查看日志文件
        
        -	慢查询日志(Slow query log)
        	记录所有执行时间超时的查询SQL,默认是10秒。
        	show variables like '%slow_query%'; //是否开启
        	show variables like '%long_query_time%'; //时长
      
  • 配置文件
    用于存放MySQL所有的配置信息文件,比如my.cnf、my.ini等。

  • 数据文件

    • db.opt 文件:记录这个库的默认使用的字符集和校验规则。
    • frm 文件:存储与表相关的元数据(meta)信息,包括表结构的定义信息等,每一张表都会有一个frm 文件。
    • MYD 文件:MyISAM 存储引擎专用,存放 MyISAM 表的数据(data),每一张表都会有一个.MYD 文件。
    • MYI 文件:MyISAM 存储引擎专用,存放 MyISAM 表的索引相关信息,每一张 MyISAM 表对应一个 .MYI 文件。
    • ibd文件和 IBDATA 文件:存放 InnoDB 的数据文件(包括索引)。InnoDB 存储引擎有两种表空间方式:独享表空间和共享表空间。独享表空间使用 .ibd 文件来存放数据,且每一张InnoDB 表对应一个 .ibd 文件。共享表空间使用 .ibdata 文件,所有表共同使用一个(或多个,自行配置).ibdata 文件。
    • ibdata1 文件:系统表空间数据文件,存储表元数据、Undo日志等 。
    • ib_logfile0、ib_logfile1 文件:Redo log 日志文件。
  • pid 文件
    pid 文件是 mysqld 应用程序在 Unix/Linux 环境下的一个进程文件,和许多其他 Unix/Linux 服务端程序一样,它存放着自己的进程 id。

  • socket 文件
    socket 文件也是在 Unix/Linux 环境下才有的,用户在 Unix/Linux 环境下客户端连接可以不通过TCP/IP 网络而直接使用 Unix Socket 来连接 MySQL。

2.2 MySQL运行机制

4-1-1 MySQL架构原理_第2张图片

  • ①建立连接(Connectors&Connection Pool),通过客户端/服务器通信协议与MySQL建立连接。MySQL 客户端服务端的通信方式是 “ 半双工 ”。对于每一个 MySQL 的连接,时刻都有一个线程状态来标识这个连接正在做什么。
    通讯机制:

    全双工:能同时发送和接收数据,例如平时打电话。
    半双工:指的某一时刻,要么发送数据,要么接收数据,不能同时。例如早期对讲机
    单工:只能发送数据或只能接收数据。例如单行道

    线程状态:
    show processlist; //查看用户正在运行的线程信息,root用户能查看所有线程,其他用户只能看自己的

    • id:线程ID,可以使用kill xx;
    • user:启动这个线程的用户
    • Host:发送请求的客户端的IP和端口号
    • db:当前命令在哪个库执行
    • Command:该线程正在执行的操作命令
      - Create DB:正在创建库操作
      - Drop DB:正在删除库操作
      - Execute:正在执行一个PreparedStatement
      - Close Stmt:正在关闭一个PreparedStatement
      - Query:正在执行一个语句
      - Sleep:正在等待客户端发送语句
      - Quit:正在退出
      Shutdown:正在关闭服务器
    • Time:表示该线程处于当前状态的时间,单位是秒
    • State:线程状态
      Updating:正在搜索匹配记录,进行修改
      Sleeping:正在等待客户端发送新请求
      Starting:正在执行请求处理
      Checking table:正在检查数据表
      Closing table : 正在将表中数据刷新到磁盘中
      Locked:被其他查询锁住了记录
      Sending Data:正在处理Select查询,同时将结果发送给客户端
    • Info:一般记录线程执行的语句,默认显示前100个字符。想查看完整的使用show full processlist;
  • ②查询缓存(Cache&Buffer),这是MySQL的一个可优化查询的地方,如果开启了查询缓存且在查询缓存过程中查询到完全相同的SQL语句,则将查询结果直接返回给客户端;如果没有开启查询缓存或者没有查询到完全相同的 SQL 语句则会由解析器进行语法语义解析,并生成“解析树”。
    1. 缓存Select查询的结果和SQL语句
    2. 执行Select查询时,先查询缓存,判断是否存在可用的记录集,要求是否完全相同(包括参数值),这样才会匹配缓存数据命中。
    3. 即使开启查询缓存,以下SQL也不能缓存
    查询语句使用SQL_NO_CACHE
    查询的结果大于query_cache_limit设置
    查询中有一些不确定的参数,比如now()
    4. show variables like ‘%query_cache%’; //查看查询缓存是否启用,空间大小,限制等
    5. show status like ‘Qcache%’; //查看更详细的缓存参数,可用缓存空间,缓存块,缓存多少等

  • ③解析器(Parser)将客户端发送的SQL进行语法解析,生成"解析树"。预处理器根据一些MySQL规则进一步检查“解析树”是否合法,例如这里将检查数据表和数据列是否存在,还会解析名字和别名,看看它们是否有歧义,最后生成新的“解析树”。

  • ④查询优化器(Optimizer)根据“解析树”生成最优的执行计划。MySQL使用很多优化策略生成最优的执行计划,可以分为两类:静态优化(编译时优化)、动态优化(运行时优化)。

  1. 等价变换策略
    5=5 and a>5 改成 a > 5
    a < b and a=5 改成b>5 and a=5
    基于联合索引,调整条件位置等
  2. 优化count、min、max等函数
    InnoDB引擎min函数只需要找索引最左边
    InnoDB引擎max函数只需要找索引最右边
    MyISAM引擎count(*),不需要计算,直接返回
  3. 提前终止查询
    使用了limit查询,获取limit所需的数据,就不在继续遍历后面数据
  4. in的优化
    MySQL对in查询,会先进行排序,再采用二分法查找数据。比如where id in (2,1,3),变成 in (1,2,3)3
  • ⑤查询执行引擎负责执行 SQL 语句,此时查询执行引擎会根据 SQL 语句中表的存储引擎类型,以及对应的API接口与底层存储引擎缓存或者物理文件的交互,得到查询结果并返回给客户端。若开启用查询缓存,这时会将SQL 语句和结果完整地保存到查询缓存(Cache&Buffer)中,以后若有相同的 SQL 语句执行则直接返回结果。
  1. 如果开启了查询缓存,先将查询结果做缓存操作
  2. 返回结果过多,采用增量模式返回

2.3 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。
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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。
2.3.1 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。
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  • 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

  • 总结
    两种引擎该如何选择?

    是否需要事务?有,InnoDB
    是否存在并发修改?有,InnoDB
    是否追求快速查询,且数据修改少?是,MyISAM
    在绝大多数情况下,推荐使用InnoDB

扩展资料:各个存储引擎特性对比
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2.3.2 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。
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2.3.2.1 一、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。

  • ① 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
    1、free list :表示空闲缓冲区,管理free page
    2、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。
    3、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

    1、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
    2、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。
    3、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

    1、show variables like ‘%innodb_page_size%’; //查看page页大小
    2、show variables like ‘%innodb_old%’; //查看lru list中old列表参数
    3、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%,
    4、innodb_buffer_pool_instances可以设置为多个,这样可以避免缓存争夺。

  • ② 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。

  • ③Adaptive 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。

  • ④ 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

2.3.2.2 二、InnoDB磁盘结构

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

2.3.2.3 三、新版本结构演变

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