【Mysql】数据库架构学习合集

1. Mysql整体架构

客户端： 由各种语言编写的程序，负责与Mysql服务端进行网络连接。

服务端： 包括以下几层

1. 连接层：负责客户端的接入工作。
2. 服务层：4大组件。SQL接口组件、解析器、优化器、缓存和缓冲区
3. 存储引擎层：存储引擎负责与磁盘打交道。Mysql的存储引擎支持可拔插式，可以切换不同的存储引擎。
4. 文件系统层：是一个基于磁盘的文件系统

一条sql语句的执行就是从上往下经过这4层。

1-1. 连接层

1. 一个客户端的与服务端要建立连接，Mysql内部就需要一个线程来负责该客户端接下来的所有工作。
2. MySQL是基于TCP/IP协议栈实现的连接建立工作，但并非使用HTTP协议建立连接的。具体协议要根据不同的客户端，例如：jdbc odbc等
3. 数据库连接池负责复用线程、管理线程以及限制最大连接数。因为线程属于宝贵资源。
4. show variables like '%max_connections%'; 查询目前Mysql的最大连接数。

1-2. 服务层

• SQL接口组件

  1. 负责接收SQL语句，将其发送给其他组件。然后等待接收执行结果的返回，最后会将其返回给客户端。

• 解析器

  1. 接收SQL接口组件发来的SQL语句
  2. 验证SQL语句是否正确，以及将SQL语句解析成MySQL能看懂的机器码指令

• 优化器

  1. 解析器完成之后，优化器就生成执行计划，最终会选择出一套最优的执行计划。这个执行的过程实际上是在调用存储引擎所提供的API。

• 缓存和缓冲区

  1. 缓存主要就是select的数据缓存。MySQL会对于一些经常执行的查询SQL语句，将其结果保存在缓存中。
  2. 在MySQL 8.X中，移除了缓存区，毕竟命中率不高。同时一般程序都会使用Redis做一次缓存。
  3. 缓冲区的设计主要是：为了通过内存的速度来弥补磁盘速度较慢对数据库造成的性能影响。
  4. 对数据库进行写操作时，都会先从缓冲区中查询是否有，如果有，则直接对内存中的数据进行操作（例如修改、删除等），对缓冲区中的数据操作完成后，会直接给客户端返回成功的信息，然后MySQL会在后台利用一种名为Checkpoint的机制，将内存中更新的数据刷写到磁盘。
  5. 缓冲区是与存储引擎有关的，不同的存储引擎实现也不同，比如InnoDB的缓冲区叫做innodb_buffer_pool，而MyISAM则叫做key_buffer。

1-3. 存储引擎层

1. 存储引擎是MySQL数据库中与磁盘文件打交道的子系统，不同的引擎底层访问文件的机制也存在些许细微差异。
2. 引擎也不仅仅只负责数据的管理，也会负责库表管理、索引管理等，MySQL中所有与磁盘打交道的工作，最终都会交给存储引擎来完成。

1-4. 文件系统层

1. 本质上就是基于机器物理磁盘的一个文件系统，其中包含了配置文件、库表结构文件、数据文件、索引文件、日志文件等各类MySQL运行时所需的文件。
2. 这一层的功能比较简单，也就是与上层的存储引擎做交互，负责数据的最终存储与持久化工作。
3. 这一层主要可分为两个板块：①日志板块。②数据板块。

日志板块

①binlog二进制日志，主要记录MySQL数据库的所有写操作（增删改）。

②redo-log重做/重写日志，MySQL崩溃时，对于未落盘的操作会记录在这里面，用于重启时重新落盘（InnoDB专有的）。

③undo-logs撤销/回滚日志，记录事务开始前[修改数据]的备份，用于回滚事务。

④error-log：错误日志：记录MySQL启动、运行、停止时的错误信息。

⑤general-log常规日志，主要记录MySQL收到的每一个查询或SQL命令。

⑥slow-log：慢查询日志，主要记录执行时间较长的SQL。

⑦relay-log：中继日志，主要用于主从复制做数据拷贝。

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数据板块

db.opt文件：主要记录当前数据库使用的字符集和验证规则等信息。

.frm文件：存储表结构的元数据信息文件，每张表都会有一个这样的文件。

.MYD文件：用于存储表中所有数据的文件（MyISAM引擎独有的）。

.MYI文件：用于存储表中索引信息的文件（MyISAM引擎独有的）。

.ibd文件：用于存储表数据和索引信息的文件（InnoDB引擎独有的）。

.ibdata文件：用于存储共享表空间的数据和索引的文件（InnoDB引擎独有）。

.ibdata1文件：这个主要是用于存储MySQL系统（自带）表数据及结构的文件。

.ib_logfile0/.ib_logfile1文件：用于故障数据恢复时的日志文件。

.cnf/.ini文件：MySQL的配置文件，Windows下是.ini，其他系统大多为.cnf。

2. 一条sql语句的执行过程

2-1. 数据库连接池的作用

客户端要将SQL语句发给服务端之前，要先根据配置文件中的url、username、password与服务端进行网络连接。

由于涉及到了网络请求，那此时必然会先经历TCP三次握手的过程，同时获取到连接对象完成SQL操作后，又要释放这个数据库连接，此时又需要经历TCP四次挥手过程。

因此每次操作数据库时，客户端都需要获取新的连接对象，这是非常耗时耗资源的操作。

「数据库连接池」和「线程池」的思想相同，会将数据库连接这种较为珍贵的资源，利用池化技术对这种资源进行维护。也就代表着之后需要进行数据库操作时，不需要自己去建立连接了，而是直接从「数据库连接池」中获取，用完之后再归还给连接池，以此达到复用的效果。

MySQL连接池维护的是工作线程，客户端连接池则维护的是网络连接。

2-2. 查询sql的执行过程

注意： Mysql 8.X 版本 已经移除了查询缓存

• ①先将SQL发送给SQL接口，SQL接口会对SQL语句进行哈希处理。

• ②SQL接口在缓存中根据哈希值检索数据，如果缓存中有则直接返回数据。

• ③缓存中未命中时会将SQL交给解析器，解析器会判断SQL语句是否正确：

  • 错误：抛出1064错误码及相关的语法错误信息。
  • 正确：将SQL语句交给优化器处理，进入第④步。

• ④优化器根据SQL制定出不同的执行方案，并择选出最优的执行计划。

• ⑤工作线程根据执行计划，调用存储引擎所提供的API获取数据。

• ⑥存储引擎根据API调用方的操作，去磁盘中检索数据（索引、表数据…）。

• ⑦发生磁盘IO后，对于磁盘中符合要求的数据逐条返回给SQL接口。

• ⑧SQL接口会对所有的结果集进行处理（剔除列、合并数据…）并返回。

2-1. 写sql的执行过程

• ①先将SQL发送给SQL接口，SQL接口会对SQL语句进行哈希处理。
• ②在缓存中根据哈希值检索数据，如果缓存中有，则将对应表的所有缓存全部删除。
• ③经过缓存后会将SQL交给解析器，解析器会判断SQL语句是否正确：
  • 错误：抛出1064错误码及相关的语法错误信息。
  • 正确：将SQL语句交给优化器处理，进入第④步。
• ④优化器根据SQL制定出不同的执行方案，并择选出最优的执行计划。
• ⑤在执行开始之前，先记录一下undo-log日志和redo-log(prepare状态)日志。
• ⑥在缓冲区中查找是否存在当前要操作的行记录或表数据（内存中）：
  • 存在：
    • ⑦直接对缓冲区中的数据进行写操作。
    • ⑧然后利用Checkpoint机制刷写到磁盘。
  • 不存在：
    • ⑦根据执行计划，调用存储引擎的API。
    • ⑧发生磁盘IO，对磁盘中的数据做写操作。
• ⑨写操作完成后，记录bin-log日志，同时将redo-log日志中的记录改为commit状态。
• ⑩将SQL执行耗时及操作成功的结果返回给SQL接口，再由SQL接口返回给客户端。

undo-log日志

• 撤销/回滚日志，所有的写SQL在执行之前都会生成对应的撤销SQL，撤销SQL也就是相反的操作
• 比如现在执行的是insert语句，那这里就生成对应的delete语句

undo-log日志

• InnoDB引擎专属的，将写SQL的事务过程记录在案，如果服务器或者MySQL宕机，重启时就可以通过redo_log日志恢复更新的数据。
• 在「写SQL」正式执行之前，就会先记录一条prepare状态的日志，表示当前「写SQL」准备执行，然后当执行完成并且事务提交后，这条日志记录的状态才会更改为commit状态。