MySQL进阶篇（六）InnoDB 引擎

一、逻辑存储结构

（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：
1️⃣Trx_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。
2️⃣Roll_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。

二、架构

1. 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。

2. 内存结构

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 Pool（缓冲池）
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：
（1）free page：空闲page，未被使用。
（2）clean page：被使用page，数据没有被修改过。
（3）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。

（2）Change Buffer（更改缓冲区）
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?
与聚集索引不同，二级索引通常是非唯一的，并且以相对随机的顺序插入二级索引。同样，删除和更新可能会影响索引树中不相邻的二级索引页，如果每一次都操作磁盘，会造成大量的磁盘 IO。有了 ChangeBuffer 之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘 IO。

（3） Adaptive Hash Index（自适应 hash 索引）
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（日志缓冲区）
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：
1️⃣1: 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘，默认值。
2️⃣0: 每秒将日志写入并刷新到磁盘一次。
3️⃣2: 日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次。

3. 磁盘结构

（1）System Tablespace（系统表空间）
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（每个表的独立表空间）
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，我们每创建一个表，都会产生一个表空间文件。

（3）General Tablespaces（通用表空间）
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。

1️⃣创建表空间

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

2️⃣创建表时指定表空间

CREATE TABLE xxx ... TABLESPACE ts_name;

（4）Undo Tablespaces（撤销表空间​​​​​​​​​​​​​​）
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（临时表空间​​​​​​​​​​​​​​）
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​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​）
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。

（7）Redo Log​​​​​​​（重做日志​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​）
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：

4. 后台线程

（1）Master Thread（核心后台线程​​​​​​​）
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。

show engine innodb status \G;

（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。

三、事务原理

1. 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
1️⃣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。【undo log】
2️⃣一致性（Consistency）：事务完成时，必须使所有的数据都保持一致状态。【undo log + redo log】
3️⃣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。【锁 + MVCC】
4️⃣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。【redo log】

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。

2. 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。

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。

3. 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。

1️⃣Undo 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。
2️⃣Undo 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。

四、MVCC

1. 基本概念

1.1 当前读

读取的是记录的最新版本，读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录，会对读取的记录进行加锁。对于我们日常的操作，如：select … lock in share mode（共享锁），select … for update、update、insert、delete（排他锁）都是一种当前读。

1.2 快照读

简单的 select（不加锁）就是快照读，快照读，读取的是记录数据的可见版本，有可能是历史数据，不加锁，是非阻塞读。
• Read Committed：每次 select，都生成一个快照读。
• Repeatable Read：开启事务后第一个 select 语句才是快照读的地方。
• Serializable：快照读会退化为当前读。

1.3 MVCC

全称 Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。指维护一个数据的多个版本， 使得读写操作没有冲突，快照读为 MySQL 实现 MVCC 提供了一个非阻塞读功能。MVCC 的具体实现，还需要依赖于数据库记录中的三个隐式字段、undo log日志、readView。

2. 隐藏字段

2.1 介绍

2.2 测试

查看没有主键的表 employee

建表语句：

create table employee (id int , name varchar(10));

此时，我们再通过以下指令来查看表结构及其其中的字段信息：

ibd2sdi employee.ibd

查看到的表结构信息中，有一栏 columns，在其中我们会看到处理我们建表时指定的字段以外，还有额外的三个字段 分别是：DB_TRX_ID 、 DB_ROLL_PTR 、DB_ROW_ID，因为 employee 表是没有指定主键的。

3. undo log

3.1 介绍

回滚日志，在 insert、update、delete 的时候产生的便于数据回滚的日志。

当 insert 的时候，产生的 undo log 日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被立即删除。
而 update、delete 的时候，产生的 undo log 日志不仅在回滚时需要，在快照读时也需要，不会立即被删除。

3.2 版本链

不同事务或相同事务对同一条记录进行修改，会导致该记录的undolog生成一条记录版本链表，链表的头部是最新的旧记录，链表尾部是最早的旧记录。

4. readview

ReadView（读视图）是 快照读 SQL 执行时 MVCC 提取数据的依据，记录并维护系统当前活跃的事务（未提交的）id。

在 readview 中就规定了版本链数据的访问规则：

不同的隔离级别，生成ReadView的时机不同：
（1）READ COMMITTED ：在事务中每一次执行快照读时生成 ReadView。
（2）REPEATABLE READ：仅在事务中第一次执行快照读时生成 ReadView，后续复用该 ReadView。

5. 原理分析

5.1 RC 隔离级别

RC 隔离级别下，在事务中每一次执行快照读时生成 ReadView。

5.2 RR 隔离级别

RR隔离级别下，仅在事务中第一次执行快照读时生成ReadView，后续复用该ReadView。 而RR 是可重复读，在一个事务中，执行两次相同的select语句，查询到的结果是一样的。

5.3 MVCC 实现原理

MVCC 的实现原理就是通过 InnoDB 表的隐藏字段、UndoLog 版本链、ReadView 来实现的。而 MVCC + 锁，则实现了事务的隔离性。而一致性则是由 redolog 与 undolog 保证。