MySQL中的InnoDB引擎

逻辑存储结构

• 表空间（ibd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+tree的叶子节点，索引段即为B+tree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，既一个区中一共有64个连续的页。
• 页：是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单位，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

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。

内存架构

• Buffer Pool：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，在执行增删查改操作时，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，内存中的数据于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？
  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Change Buffer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。
  参数：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：
  Innodb_log_buffer_size：缓冲区大小
  Innodb_flush_log_at_trx_commit：日志刷新到磁盘时机
  1：日志在每次事务提交时，写入并刷新到磁盘
  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。

磁盘架构

• 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
• 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
• General Tablespaces：通用表空间，需要通过CREATE TABLESPACE语法创建通用表空间，在成绩表时，可以指定该表空间。

#创建通用表空间语句
CREATE TABLESPACE ts_name ADD DATAFILE 'file_name' ENGINE = engine_name;
#创建表时，指定该表空间
CREATE TABLE table_name( .... ) ENGINE = engine_name TABLESPACE ts_name; 
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• 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。
• 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：重做日志缓冲区（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。

后台线程

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请求的回顾。

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

• 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。
• 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，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。

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 … for update、update、insert、delete(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，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。

• 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。

记录中的隐藏字段

undo log版本链

• undo log
  回滚日志，在insert、update、dalete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，在读快照时也需要，不会立即被删除。
  
  
  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undo log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

readview

ReadView（读视图）是读快照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。
ReadView中包含了四个核心字段：

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