MySQL--》深度解析InnoDB引擎的存储与事务机制

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InnoDB架构

事务原理

MVCC

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InnoDB架构

从MySQL5.5版本开始默认使用InnoDB存储引擎，它擅长进行事务处理，具有崩溃恢复的特性，在日常开发中使用非常广泛，其逻辑存储结构图如下所示，

下面是InnoDB架构图，左侧为内存结构，右 侧为磁盘结构，如下所示：

内存结构：主要有以下几部分组成，其特点如下所示：

1）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I0，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，根据状态可以将Page分为三种类型：

free page：空闲page，未被使用。·

cleanpage：被使用page，数据没有被修改过。·

dirtypage：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）ChangeBuffer：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BufferPool中，不会直接操作磁盘，而会将数据变更存在更改缓冲区ChangeBuffer中，在未来数据被读取时，再将数据合并恢复到BufferPool中，再将合并后的数据刷新到磁盘中。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lO。

3）AdaptiveHashIndex：自适应hash索引，用于优化对BufferPool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l，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）LogBuffer：日志缓冲区，用来保存要写入到磁盘中的log日志数据（redolog、undolog），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1/0。

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

磁盘结构：主要有以下几部分组成，其特点如下所示：

1）SystemTablespace：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lnnoDB数据字典、undolog等）参数：innodb_data_file_path

2）File-Per-TableTablespaces：每个表的文件表空间包含单个lnnoDB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

3）GeneralTablespaces：通用表空间，需要通过CREATETABLESPACE语法创建通用表空间，在创建表时，可以指定该表空间。

4）UndoTablespaces：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undolog日志。

5）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。

6）DoublewriteBufferFiles：双写缓冲区，innoDB引擎将数据页从BufferPool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）RedoLog：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（redologbuffer）以及重做日志文件（redolog），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。

后台线程：InnoDB存储引擎缓冲池中主要有四个后台线程，它们主要内容如下：

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）I0 Thread：在lnnoDB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IOThread主要负责这些lO请求的回调，线程类型如下所示：

线程类型	默认个数	职责
Read thread	4	负责读操作
Write thread	4	负责写操作
Log thread	1	负责将日志缓冲区刷新到磁盘
Insert buffer thread	1	负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

3）Purge Thread：主要用于回收事务已经提交了的undolog，在事务提交之后，undolog可能不用了，就用它来回收。

4）Page Cleaner Thread：协助MasterThread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

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，其特性如下所示：

1）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。

2）一致性(Consistency)：事务完成时，必须使所有的数据都保持一致状态。

3）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。

4）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。

这些特性涉及的原理主要分为以下两者情况：

1）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(redologbuffer)以及重做日志文件(redologfile)，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，如下所示：

2）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undolog中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚，如下所示：

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

MVCC：通过在数据库中保存多个数据版本，允许读操作不加锁，同时写操作不会阻塞读取从而提高并发性能，MVCC依赖于事务的快照隔离(Snapshot Isolation)级别，确保每个事务看到的是一致的视图，对于读取数据主要分为以下两种：

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。

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。

其实现原理如下图所示：

MVCC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，如下：

隐式字段：当我们创建一张表的时候，默认记录中会有三个隐藏的字段，如下所示：

隐藏字段	含义
DB_TRX_ID	最近修改事务ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID。
DB_ROLL_PTR	回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合undolog，指向上一个版本。
DB_ROW_ID	隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段。

undo log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undolog日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被立即删除

当update、delete的时候，产生的undolog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。

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，如下所示：

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，readView中包含了四个核心字段如下所示：

字段	含义
m_ids	当前活跃的事务ID集合
min_trx_id	最小活跃事务ID
max_trx_id	预分配事务ID，当前最大事务ID+1（因为事务ID是自增的）
creator_trx_id	ReadView创建者的事务ID

版本链数据的访问规则如下所示：

不同的隔离级别，生成的readView的时机不同，如下所示：

1）read committed：在事务中每一次执行快照读时生成的readView，如下所示：

比如当前我们访问这条记录的事务id小于我们的最小活动事务的id，那么就说明当前的这条记录已经提交了，此时就说明这一次快照读就是我们当前访问的这条记录，如下是DB_TRX_ID为2就是我们要访问的记录：

2）repeatable read：仅在事务第一次执行快照读时生成readView，后续复用该readView