⑩⑧【MySQL】InnoDB架构、事务原理、MVCC多版本并发控制

ゞ浴缸里的玫瑰 2024-04-17 10:18 60阅读 0赞

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#### InnoDB存储引擎 ####

*  ⑩⑧【MySQL】详解InnoDB存储引擎
 *   *  1. InnoDB逻辑存储结构
     *  2. InnoDB架构
     *   *  ?内存架构
         *  ?磁盘架构
         *  ?后台线程
     *  3. 事务的原理
     *   *  ⚪redo log
         *  ⚪undo log
     *  4. MVCC
     *   *  ?MVCC基本概念
         *  ?MVCC实现原理

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## ⑩⑧【MySQL】详解InnoDB存储引擎 ##

### 1. InnoDB逻辑存储结构 ###

`InnoDB逻辑存储结构`：

*  ?`表空间（idb文件）`：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。
 *  ?`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)** 。
 *  ?`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。
 *  ?`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。
 *  ?`行`：InnoDB存储引擎数据是按行进行存放的。
 *   *  ⚪`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。

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### 2. InnoDB架构 ###

`架构`：

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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#### ?内存架构 ####

`内存结构 - In-Memory Structures`：

*  ?`Buffer Poll`：**缓冲池** 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，页中数据与磁盘的数据产生了不一致。

*  ?`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，而会将数据变更存放在更改缓冲区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。
 *  
 *  **更改缓冲区Change Buffer的意义是什么？**
 *   *  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。**

*  ?`Adaptive Hash Index`：**自适应hash索引** ，用于优化对Buffer Pool数据的查询。InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到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。`
 *   *      -- innodb中，自适应hash索引的参数：innodb_adaptive_hash_index
            -- 查看是否开启了 自适应hash
            SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_adaptive_hash_index';

*  ?`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
            -- 缓冲区大小：innodb_log_buffer_size
            -- 日志刷新到磁盘时机：innodb_flush_log_at_trx_commit
            -- 查看：
            SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_log_buffer_size';
            SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_flush_log_at_trx_commit';
            #或
            SELECT @@innodb_log_buffer_size;
            SELECT @@innodb_flush_log_at_trx_commit;
     *  > 日志刷新到磁盘时机：innodb\_flush\_log\_at\_trx\_commit（值：0/1/2）
        > 
        > ![在这里插入图片描述][36662fa169444e4785c5b123e889bf13.png]

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#### ?磁盘架构 ####

`磁盘结构 On-Disk Structures`：

*  ?`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创建，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、undologs等)。
 *   *      #参数 : innodb_data_file_path
            -- 查看相关信息
            SHOW VARIABLES LIKE '%data_file_path%';

*  ?`File-Per-Table Tablespaces`：**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。
 *   *      #参数 : innodb_file_per_table
            SHOW VARIABLES LIKE '%file_per_table%';

*  ?`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，可以指定通用表空间。
 *   *      -- 创建通用表空间
            CREATE TABLESPACE 通用表空间名称 ADD
            DATAFILE '表空间文件名'
            ENGINE = 存储引擎名;
            
            -- 创建表时指定关联的通用表空间
            CREATE TABLE 表名(
            	字段1 字段1类型 [COMMENT 字段1注释],
                字段2 字段2类型 [COMMENT 字段2注释],
                字段3 字段3类型 [COMMENT 字段3注释],
                ...
                字段n 字段n类型 [COMMENT 字段n注释]
            )[COMMENT 表注释] TABLESPACE 通用表空间名称;

*  ?`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。

*  ?`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。

*  ?`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。** （双写缓冲区文件：`xxx.dblwr文件`）

*  ?`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 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。

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#### ?后台线程 ####

`后台线程`：

*  ?`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。

*  ?`IO Thread`：
 *   *  在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO(异步非阻塞IO)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。
     *  ![在这里插入图片描述][762dcf83c12245a5beee14a7ec2ee4ec.png]

*  ?`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。

*  ?`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。

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### 3. 事务的原理 ###

`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。**

`事务四大特性`：

*  **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，它对数据库数据的改变就是永久的。

![在这里插入图片描述][a7240e25da8b4b339d8a4b710335410b.png]

![在这里插入图片描述][6fd9ac54b9a147a695aefaeeddac1c78.png]

#### ⚪redo log ####

`重做日志 - 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。

![在这里插入图片描述][3a9ae0e6577b4e12812251f05b3bfe1c.png]

#### ⚪undo log ####

`回滚日志 - 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** 和 **MVCC(多版本并发控制)** 。

**undo log** 和**redo log** 记录物理日志不一样，**undo log** 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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### 4. MVCC ###

#### ?MVCC基本概念 ####

`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\update\insert\delete..for update(排他锁)`**都是一种当前读** 。

`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。

*  事务隔离级别：
 *   *  **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。

`多版本并发控制 - 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`。

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#### ?MVCC实现原理 ####

`表的隐藏字段`：

![在这里插入图片描述][075587f24df14c739a1aa19add9d3dab.png]

`undo log - 回滚日志`：

*  **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** 。

*  `undo log 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。
     *  ![在这里插入图片描述][d4378a9d9ea448caa8c0b88b45178b60.png]

`readView - 读视图`：  
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。

不同的隔离级别，生成ReadViewl的时机不同：

> **READ COMMITTED**：在事务中每一次执行快照读时生成ReadView。  
> **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。

*  ReadView的4个核心字段：
 *   *  ![在这里插入图片描述][8159bedc1b2d45a497ee44338929109d.png]

![在这里插入图片描述][79c1a029439b4a979b36a58e263cf12a.png]

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[![在这里插入图片描述][20a7f1b58dfb4660b75d7f021c157d57.png_pic_center]][20a7f1b58dfb4660b75d7f021c157d57.png_pic_center 1]

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