MySQL存储引擎

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。

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。我们日常使用主要使用MyISAM和InnoDB存储引擎。

InnoDB和MyISAM对比

• 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

  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

  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。

• 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。

• 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

  • 如果需要事务就选择InnoDB
  • 存在并发修改就选择InnoDB
  • 查询请求多且最求快速查询就选择MyISAM
  • 绝大多数情况下一般都是选InnoDB

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

InnoDB存储结构分为内存结构和磁盘结构：

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：

  • 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。

  • 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%。

  为什么lru list要分为new和old两个区域？

  • 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，如果全表扫描的话，新加载进来的数据即使只访问一次也会把之前经常访问的数据给覆盖掉，这样后续这些热点数据又要从磁盘中去加载，浪费性能。

  • 改进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。

• 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，参数为innodb_change_buffer_max_size。

  Change Buffer工作流程：

  当更新一条记录时，该记录在BufferPool存在，直接在BufferPool修改，进行一次内存操作。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，会先进行磁盘读取，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。

• 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。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。

• LogBuffer：日志缓冲区，用来保存要写入磁盘上log文件（Redo/Undo）的数据，它的内容会定期刷新到磁盘log文件中。如果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。

  设置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OScache-->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

磁盘结构

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

• 表空间（Tablespaces）

  用于存储表结构和数据。表空间又分为系统表空间、独立表空间、通用表空间、临时表空间、Undo表空间等多种类型：

  • 系统表空间（The System Tablespace）：包含InnoDB数据字典，Doublewrite Buffer，Change Buffer，Undo Logs的存储区域。

    系统表空间默认包含任何用户在系统表空间创建的表数据和索引数据。系统表空间是一个共享的表空间因为它是被多个表共享的。该空间的数据文件通过参数innodb_data_file_path控制，默认值是ibdata1:12M:autoextend(文件名为ibdata1、12MB、自动扩展)。

  • 独立表空间（File-Per-Table Tablespaces）：默认开启，独立表空间是一个单表表空间，该表创建于自己的数据文件中，而非创建于系统表空间中。当innodb_file_per_table选项开启时，表将被创建于表空间中。否则，innodb将被创建于系统表空间中。每个表文件表空间由一个.ibd数据文件代表，该文件默认被创建于数据库目录中。表空间的表文件支持动态（dynamic）和压缩（commpressed）行格式。

  • 通用表空间（General Tablespaces）：通用表空间为通过create tablespace语法创建的共享表空间。通用表空间可以创建于mysql数据目录外的其他表空间，其可以容纳多张表，且其支持所有的行格式。

  • 撤销表空间（Undo Tablespaces）：撤销表空间由一个或多个包含Undo日志文件组成。在MySQL 5.7版本之前Undo占用的是System Tablespace共享区，从5.7开始将Undo从System Tablespace分离了出来。InnoDB使用的undo表空间由innodb_undo_tablespaces配置选项控制，默认为0。参数值为0表示使用系统表空间ibdata1;大于0表示使用undo表空间undo_001、undo_002等。

  • 临时表空间（Temporary Tablespaces）：分为session temporary tablespaces 和global temporary tablespace两种。session temporary tablespaces 存储的是用户创建的临时表和磁盘内部的临时表。global temporary tablespace储存用户临时表的回滚段（rollback segments ）。mysql服务器正常关闭或异常终止时，临时表空间将被移除，每次启动时会被重新创建。

• 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）

  撤销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。

InnoDB线程模型

• IO Thread

  在InnoDB中使用了大量的AIO（Async IO）来做读写处理，这样可以极大提高数据库的性能。在InnoDB1.0版本之前共有4个IO Thread，分别是write，read，insert buffer和log thread，后来版本将read thread和write thread分别增大到了4个。

  • 4个read thread ： 负责读取操作，将数据从磁盘加载到缓存page页。

  • 4个write thread：负责写操作，将缓存脏页刷新到磁盘。

  • 1个log thread：负责将日志缓冲区内容刷新到磁盘。

  • 1个insert buffer thread ：负责将写缓冲内容刷新到磁盘。

• Purge Thread

  事务提交之后，其使用的undo日志将不再需要，因此需要Purge Thread回收已经分配的undo页。

• Page Cleaner Thread

  作用是将脏数据刷新到磁盘，脏数据刷盘后相应的redo log也就可以覆盖，即可以同步数据，又能达到redo log循环使用的目的。会调用write thread线程处理。

• Master Thread

  Master thread是InnoDB的主线程，负责调度其他各线程，优先级最高。作用是将缓冲池中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：

  每1秒的操作：

  • 刷新日志缓冲区，刷到磁盘
  • 合并写缓冲区数据，根据IO读写压力来决定是否操作
  • 刷新脏页数据到磁盘，根据脏页比例达到75%才操作（innodb_max_dirty_pages_pct ，innodb_io_capacity）

  每10秒的操作：

  • 刷新脏页数据到磁盘
  • 合并写缓冲区数据
  • 刷新日志缓冲区
  • 删除无用的undo页

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