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mysql系列1—mysql架构和协议介绍

news 2025/7/7 19:23:56

背景：

本文开始整理mysql相关的文章，用于收集数据库相关内容；包括mysql架构和存储方式、索引结构和查询优化、数据库锁等内容。思考如何根据具体的业务给出最优的分表规划和表设计、字段选择和索引设计、优化的SQL语句，以及数据库参数优化。
本文作为mysql系列的第一篇，先从整体上理解一下mysql的组成结构以及查询流程，然后对存储引擎进行简要介绍，作为后续文章的基础。

1.mysql架构

mysql整体上可分为客户端与服务器端，客户端包括客户端连接工具以及连接驱动(如:JAVA的JDBC)；
服务端指提供数据库能力的Mysql服务器，架构如下图所示:
请添加图片描述
上图来自mysql官网，较为清晰、分层次地展示了mysql的架构和每层的组成组件。

1.1 连接层

mysql启动时，连接层负责启动监听端口(默认为3306)，接受处理TCP客户端的连接、并完成鉴权和建链操作。连接建立后，连接层为客户端会话分配资源、管理会话的生命周期(会话的创建、维护、销毁)。
连接期间，将客户端的消息转发到服务层，以及将查询结果返回给客户端，完成mysql客户端与服务端间的通讯。通讯使用mysql协议进行，支持配置明文或加密通讯。这部分内容较多，在第2章中详细介绍。

1.2 服务层

服务层由SQL解析器、优化器和执行引擎和查询缓存等组件组成。
(1) 查询缓存
查询缓存中存放SQL语句及其对应的结果集，遇到相同查询时，根据缓存返回结果，避免重复查询数据库。因效率和性能问题，在mysql8中已废弃，本文后续直接忽略服务层的查询缓存。
(2) 解析器和优化器
解析器与编译器逻辑相同，目标是SQL语句。对SQL进行语法解析和语义解析并生成解析树，解析失败时会返回错误信息。优化器对解析树基于统计信息和索引信息等进行优化，从多条执行路径中选择最优的一条发送给执行引擎。
(3) 执行引擎
根据优化器生成的执行路径，调用存储引擎接口，完成数据库操作。

1.3 存储层

存储层由存储引擎和文件系统组成。mysql数据库表和数据以文件形式存放于磁盘中。文件系统包括：表、索引、数据文件、undo/redo/binlog日志文件等。存储引擎可以理解为读取文件的软件驱动。mysql的存储层被设计为插件机制，用于支持不同的存储引擎，如InnoDB, CSV，Memeory等；存储引擎将在第4章中详细说明。

1.4 查询过程

了解连接层、服务层、存储层后，很清晰地得到以下查询流程：
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【1】客户端与连接器建立mysql链接，并读取客户端的SQL语句;
【2】SQL语句经过解析器、预处理器、优化器的解析和优化生成执行路径；
【3】执行引擎根据执行路径的指令，调用存储引擎接口；
【4】存储引擎从文件系统读取对应的信息返回。

2.mysql协议消息

本章节结合抓包介绍mysql协议的消息流程图。
Before Content 1:
Linux机器上的mysql客户端一般使用SSL加密通讯，抓包不可读，可通过以下两种方式强制使用明文传输。
（1）连接命令添加"–ssl-mode=DISABLED"参数
如下所示:

mysql -u root -p{Password} --ssl-mode=DISABLED

（2）修改mysql.cnf配置文件
linux上mysql的配置文件路径一般为:/etc/my.cnf, 添加客户端配置:

[client]
ssl-mode = DISABLED

Before Content 2:
执行sql语句:

#1.连接mysql
mysql -uroot -p{Password} --ssl-mode=DISABLED# 2.执行查询SQL
mysql> SELECT COUNT(1) FROM test.test_mysql;# 输入quit断链
mysql> quit;

抓包命令：

tcpdump -i any port 3306 -w ./test_mysql.cap

得到的数据包如下所示：
请添加图片描述

消息流程图

客户端与mysql之间使用自定义的mysql协议通讯，具体的消息流程如下图所示:
请添加图片描述
可以分为四个阶段：

[1] 通过3次TCP握手，建立TCP链接

[2] mysql会话建立过程, 对应消息N1-N3

N1：服务器向客户端发送"Server Greeting"消息，携带服务器的版本和能力集等信息
请添加图片描述
N2：客户端向服务器发送"Login Request"消息，携带认证信息;

N3：服务器鉴权成功后，返回"Response OK"消息.

[3] 执行SQL阶段，对应消息N4-N5

N4执行查询"SELECT COUNT(1) FROM test.test_mysql;",对应消息如下所示:
请添加图片描述
N5是服务器返回的查询结果:

[4] 断链阶段，对应消息N6

请添加图片描述
客户端向服务器发送"Request Quit"消息断链mysql链路; 之后断开TCP链接。

3.存储引擎介绍

理解存储引擎，需要建立在数据存储形式以及底层IO的基础上(在后续文章中介绍)。本章仅从特性的角度进行简要说明。

如前文介绍，mysql在数据存储层通过插件机制实现，从而支持多种存储引擎，可以在定义表结构时指定使用的存储引擎。常见的存储引擎包括MyIsam、InnoDB、MEMORY、Archive、CSV、Blackhole，其中InnoDB是Mysql8默认的存储引擎。一般而言，MyIsam和InnoDB已满足大部分的业务场景，其他存储引擎作简单了解即可。

3.1 MyIsam

(1) 事务
不支持事务：每条SQL语句都会被直接提交、无法回滚；
(2) 数据库锁
支持表锁、不支持MVCC和行锁：当读写或者写写冲突时，整张表会被锁住，不适应并发较大的场景；
(3) 支持外键
不支持外键；
(4) 存储方式
表结构存储在.frm文件；记录数据存储在.myd文件中，而索引存放在.myi文件中。

3.2 InnoD

(1) 事务
支持事务；
(2) 数据库锁
支持行锁和MVCC, 适用于并发较大的场景；
(3) 支持外键
支持外键，允许在不同表之间建立外键关系，确保数据的完整性和一致性；
(4) 存储方式
表结构存储在.frm文件；记录数据和索引存储在.ibd文件中。

3.3 其他存储引擎

(1) MEMORY
数据保存在内存中，查询和更新速度较快。因不支持持久化，重启数据库会丢失所有记录；
(2) Archive
用于归档数据，仅支持插入和查询，不支持删除和修改；
(3) CSV
记录以csv文件形式保存；
(4) Blackhole
测试使用，所有写入的数据都会丢失，只进不出，如同丢进了黑洞。

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