MySQL体系架构

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。

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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。

服务层（MySQL Server）

  • 连接池：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。

  • 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。

  • 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。

  • 日志文件

    • 错误日志（Error log）
    • 通用查询日志（General query log）
    • 二进制日志（binary log）
    • 慢查询日志（Slow query log）

  • 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_logfifile0、ib_logfifile1 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。

MySQL运行机制

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  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 客户端与服务端的通信方式是 “ 半双工 ”。
  2. 查询缓存（Cache&Buffffer），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”。
  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）。
  5. 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&Buffffer）中，以后若有相同的 SQL 语句执行则直接返回结果。

MySQL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。

  • 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

InnoDB和MyISAM对比

  1. 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

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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

  5. 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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  6. 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

InnoDB存储结构

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InnoDB内存结构

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 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。

InnoDB磁盘结构

  • 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；
  • 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 Buffffer）：位于系统表空间，是一个存储区域。在BufffferPage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。
  • 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。
  • 撤消日志（Undo Log）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。

其他

Undo Log作用

  • 实现事务的原子性
    Undo Log 是为了实现事务的原子性而出现的产物。事务处理过程中，如果出现了错误或者用户执行了 ROLLBACK 语句，MySQL 可以利用 Undo Log 中的备份将数据恢复到事务开始之前的状态。
  • 实现多版本并发控制（MVCC）
    Undo Log 在 MySQL InnoDB 存储引擎中用来实现多版本并发控制。事务未提交之前，Undo Log保存了未提交之前的版本数据，Undo Log 中的数据可作为数据旧版本快照供其他并发事务进行快照读。

Redo Log

  • 工作原理

    Redo Log 是为了实现事务的持久性而出现的产物。防止在发生故障的时间点，尚有脏页未写入表的 IBD 文件中，在重启 MySQL 服务的时候，根据 Redo Log 进行重做，从而达到事务的未入磁盘数据进行持久化这一特性。

  • 写入机制

    Redo Log 文件内容是以顺序循环的方式写入文件，写满时则回溯到第一个文件，进行覆盖写。

Binlog日志

Redo Log 是属于InnoDB引擎所特有的日志，而MySQL Server也有自己的日志，即 Binarylog（二进制日志），简称Binlog。Binlog是记录所有数据库表结构变更以及表数据修改的二进制日志，不会记录SELECT和SHOW这类操作。

  • 使用场景
    • 主从复制：在主库中开启Binlog功能，这样主库就可以把Binlog传递给从库，从库拿到Binlog后实现数据恢复达到主从数据一致性。
    • 数据恢复：通过mysqlbinlog工具来恢复数据。
  • Binlog记录模式
    • ROW（row-based replication, RBR）：日志中会记录每一行数据被修改的情况，然后在slave端对相同的数据进行修改。
    • STATMENT（statement-based replication, SBR）：每一条被修改数据的SQL都会记录到master的Binlog中，slave在复制的时候SQL进程会解析成和原来master端执行过的相同的SQL再次执行。简称SQL语句复制。
    • MIXED（mixed-based replication, MBR）：以上两种模式的混合使用，一般会使用STATEMENT模式保存binlog，对于STATEMENT模式无法复制的操作使用ROW模式保存binlog，MySQL会根据执行的SQL语句选择写入模式。