InnoDB引擎

逻辑存储结构

InnoDB的逻辑存储结构如下图所示:

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1). 表空间

表空间是InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层, 如果用户启用了参数 innodb_file_per_table(在 8.0版本中默认开启) ,则每张表都会有一个表空间(xxx.ibd),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。

2). 段

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+树的叶子节点, 索引段即为B+树的 非叶子节点。段用来管理多个Extent(区)。

3). 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。

4). 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。

5). 行

行,InnoDB 存储引擎数据是按行进行存放的。\

在行中,默认有两个隐藏字段:

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

概述

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。下面是InnoDB架构图,左侧为内存结构,右侧为磁盘结构。

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内存结构 

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在左侧的内存结构中,主要分为这么四大块儿: Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index、Log Buffer。 接下来介绍一下这四个部分。

1). Buffer PoolInnoDB存储引擎基于磁盘文件存储,访问物理硬盘和在内存中进行访问,速度相差很大,为了尽可能 弥补这两者之间的I/O效率的差值,就需要把经常使用的数据加载到缓冲池中,避免每次访问都进行磁 盘I/O。

在InnoDB的缓冲池中不仅缓存了索引页和数据页,还包含了undo页、插入缓存、自适应哈希索引以及 InnoDB的锁信息等等。

缓冲池 Buffer Pool,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,也中数据与磁盘的数据产生了不一致。\

在专用服务器上,通常将多达80%的物理内存分配给缓冲池 。参数设置: show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

 

2). Change Buffer

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,而会将数据变更存在更改缓冲区 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中。 

Change Buffer的意义是什么呢?

先来看一幅图,这个是二级索引的结构图: InnoDB引擎_第4张图片

3). Adaptive Hash Index

自适应hash索引,用于优化对Buffer Pool数据的查询。MySQL的innoDB引擎中虽然没有直接支持 hash索引,但是给我们提供了一个功能就是这个自适应hash索引。因为前面我们讲到过,hash索引在 进行等值匹配时,一般性能是要高于B+树的,因为hash索引一般只需要一次IO即可,而B+树,可能需 要几次匹配,所以hash索引的效率要高,但是hash索引又不适合做范围查询、模糊匹配等。

InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询,如果观察到在特定的条件下hash索引可以提升速度, 则建立hash索引,称之为自适应hash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

4). Log Buffer

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:日志刷新到磁盘时机,取值主要包含以下三个:

1: 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘,默认值。

0: 每秒将日志写入并刷新到磁盘一次。

2: 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 

接下来,再来看看InnoDB体系结构的右边部分,也就是磁盘结构:

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1). System Tablespace

系统表空间是更改缓冲区的存储区域。如果表是在系统表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

 系统表空间,默认的文件名叫 ibdata1。

2). File-Per-Table Tablespaces

如果开启了innodb_file_per_table开关 ,则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。

开关参数:innodb_file_per_table ,该参数默认开启。

那也就是说,我们没创建一个表,都会产生一个表空间文件,如图:\

 

3). 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。 

A. 创建表空间

CREATE TABLESPACE ts_name ADD DATAFILE 'file_name' ENGINE = engine_name;

B. 创建表时指定表空间

CREATE TABLE xxx ... TABLESPACE ts_name;

 

4). 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。

5). 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。

6). 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。

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7). 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所 有修改信息都会存到该日志中, 用于在刷新脏页到磁盘时,发生错误时, 进行数据恢复使用。

以循环方式写入重做日志文件,涉及两个文件:

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前面我们介绍了InnoDB的内存结构,以及磁盘结构,那么内存中我们所更新的数据,又是如何到磁盘 中的呢? 此时,就涉及到一组后台线程,接下来,就来介绍一些InnoDB中涉及到的后台线程。

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后台线程 InnoDB引擎_第9张图片

在InnoDB的后台线程中,分为4类,分别是:Master Thread 、IO Thread、Purge Thread、 Page Cleaner Thread。

1). 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 。

2). 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。 

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我们可以通过以下的这条指令,查看到InnoDB的状态信息,其中就包含IO Thread信息 

show engine innodb status \G;

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3). Purge Thread

主要用于回收事务已经提交了的undo log,在事务提交之后,undo log可能不用了,就用它来回 收。

4). 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 

事务基础

1). 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,即这些操作要么同时成功,要么同时失败。

2). 特性

• 原子性(Atomicity):事务是不可分割的最小操作单元,要么全部成功,要么全部失败。

• 一致性(Consistency):事务完成时,必须使所有的数据都保持一致状态。

• 隔离性(Isolation):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影响的独立环 境下运行。

• 持久性(Durability):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。\

那实际上,我们研究事务的原理,就是研究MySQL的InnoDB引擎是如何保证事务的这四大特性的。

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而对于这四大特性,实际上分为两个部分。 其中的原子性、一致性、持久化,实际上是由InnoDB中的 两份日志来保证的,一份是redo log日志,一份是undo log日志。 而持久性是通过数据库的锁, 加上MVCC来保证的。

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我们在讲解事务原理的时候,主要就是来研究一下redolog,undolog以及MVCC。

redo log 

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),前者是在内存中,后者在磁盘中。当事务提交之后会把所有修改信息都存到该日志文件中, 用 于在刷新脏页到磁盘,发生错误时, 进行数据恢复使用。

如果没有redolog,可能会存在什么问题的? 我们一起来分析一下

我们知道,在InnoDB引擎中的内存结构中,主要的内存区域就是缓冲池,在缓冲池中缓存了很多的数 据页。 当我们在一个事务中,执行多个增删改的操作时,InnoDB引擎会先操作缓冲池中的数据,如果 缓冲区没有对应的数据,会通过后台线程将磁盘中的数据加载出来,存放在缓冲区中,然后将缓冲池中 的数据修改,修改后的数据页我们称为脏页。 而脏页则会在一定的时机,通过后台线程刷新到磁盘 中,从而保证缓冲区与磁盘的数据一致。 而缓冲区的脏页数据并不是实时刷新的,而是一段时间之后 将缓冲区的数据刷新到磁盘中,假如刷新到磁盘的过程出错了,而提示给用户事务提交成功,而数据却 没有持久化下来,这就出现问题了,没有保证事务的持久性。

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那么,如何解决上述的问题呢? 在InnoDB中提供了一份日志 redo log,接下来我们再来分析一 下,通过redolog如何解决这个问题。

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有了redolog之后,当对缓冲区的数据进行增删改之后,会首先将操作的数据页的变化,记录在redo log buffer中。在事务提交时,会将redo log buffer中的数据刷新到redo log磁盘文件中。 过一段时间之后,如果刷新缓冲区的脏页到磁盘时,发生错误,此时就可以借助于redo log进行数据 恢复,这样就保证了事务的持久性。 而如果脏页成功刷新到磁盘 或 或者涉及到的数据已经落盘,此 时redolog就没有作用了,就可以删除了,所以存在的两个redolog文件是循环写的。

那为什么每一次提交事务,要刷新redo log 到磁盘中呢,而不是直接将buffer pool中的脏页刷新 到磁盘呢 ?

因为在业务操作中,我们操作数据一般都是随机读写磁盘的,而不是顺序读写磁盘。 而redo log在 往磁盘文件中写入数据,由于是日志文件,所以都是顺序写的。顺序写的效率,要远大于随机写。 这 种先写日志的方式,称之为 WAL(Write-Ahead Logging)。

 

undo log

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(保证事务的原子性) 和 MVCC(多版本并发控制) 。

undo log和redo log记录物理日志不一样,它是逻辑日志。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 rollback segment 回滚段中,内部包含1024个undo log segment。

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