MySQL - 存储引擎初探

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存储引擎概述

存储引擎是 MySQL 中具体与文件打交道的子系统，它是根据 MySQL AB 公司提供的文件访问层抽象接口定制的一种文件访问机制，这种机制就叫作存储引擎 。

常用的存储引擎：

有古老的 MyISAM、支持事务的 InnoDB、内存类型的 Memory、归档类型的 Archive、列式存储的 Infobright，以及一些新兴的存储引擎，以 RocksDB 为底层基础的 MyRocks 和 RocksDB，和以分形树索引组织存储的 TokuDB， 以及国产的分布式存储引擎 ArkDB。

在 MySQL 5.6 版本之前，默认的存储引擎都是 MyISAM，但 5.6 版本以后默认的存储引擎就是 InnoDB 了。

InnoDB 存储引擎的具体架构如下图所示。上半部分是实例层（计算层），位于内存中，下半部分是物理层，位于文件系统中。

实例层

实例层分为线程和内存。InnoDB 重要的线程有 Master Thread，Master Thread 是 InnoDB 的主线程，负责调度其他各线程。

Master Thread 的优先级最高, 其内部包含几个循环：主循环（loop）、后台循环（background loop）、刷新循环（flush loop）、暂停循环（suspend loop）。Master Thread 会根据其内部运行的相关状态在各循环间进行切换。

大部分操作在主循环（loop）中完成，其包含 1s 和 10s 两种操作。

【1s 操作主要包括如下】

• 日志缓冲刷新到磁盘（这个操作总是被执行，即使事务还没有提交）。
  
• 最多可能刷 100 个新脏页到磁盘。
  
• 执行并改变缓冲的操作。
  
• 若当前没有用户活动，可能切换到后台循环（background loop）等。
  

【10s 操作主要包括如下】

• 最多可能刷新 100 个脏页到磁盘。
  
• 合并至多 5 个被改变的缓冲（总是）。
  
• 日志缓冲刷新到磁盘（总是）。
  
• 删除无用的 Undo 页（总是）。
  
• 刷新 100 个或者 10 个脏页到磁盘（总是）产生一个检查点（总是）等。
  
• buf_dump_thread 负责将 buffer pool 中的内容 dump 到物理文件中，以便再次启动 MySQL 时，可以快速加热数据。
  
• page_cleaner_thread 负责将 buffer pool 中的脏页刷新到磁盘，在 5.6 版本之前没有这个线程，刷新操作都是由主线程完成的，所以在刷新脏页时会非常影响 MySQL 的处理能力，在5.7 版本之后可以通过参数设置开启多个 page_cleaner_thread。
  
• purge_thread 负责将不再使用的 Undo 日志进行回收。
  
• read_thread 处理用户的读请求，并负责将数据页从磁盘上读取出来，可以通过参数设置线程数量。
  
• write_thread 负责将数据页从缓冲区写入磁盘，也可以通过参数设置线程数量， page_cleaner 线程发起刷脏页操作后 write_thread 就开始工作了。
  
• redo_log_thread 负责把日志缓冲中的内容刷新到 Redo log 文件中。
  
• insert_buffer_thread 负责把 Insert Buffer 中的内容刷新到磁盘。实例层的内存部分主要包含 InnoDB Buffer Pool，这里包含 InnoDB 最重要的缓存内容。数据和索引页、undo 页、insert buffer 页、自适应 Hash 索引页、数据字典页和锁信息等。additional memory pool 后续已不再使用。Redo buffer 里存储数据修改所产生的 Redo log。double write buffer 是 double write 所需的 buffer，主要解决由于宕机引起的物理写入操作中断，数据页不完整的问题。
  

物理层

物理层在逻辑上分为系统表空间、用户表空间和 Redo日志

系统表空间里有 ibdata 文件和一些 Undo，ibdata 文件里有 insert buffer 段、double write段、回滚段、索引段、数据字典段和 Undo 信息段。

用户表空间是指以 .ibd 为后缀的文件，文件中包含 insert buffer 的 bitmap 页、叶子页（这里存储真正的用户数据）、非叶子页。InnoDB 表是索引组织表，采用 B+ 树组织存储，数据都存储在叶子节点中，分支节点（即非叶子页）存储索引分支查找的数据值。

Redo 日志中包括多个 Redo 文件，这些文件循环使用，当达到一定存储阈值时会触发checkpoint 刷脏页操作，同时也会在 MySQL 实例异常宕机后重启，InnoDB 表数据自动还原恢复过程中使用。

内存和物理结构

上面介绍了 MySQL InnoDB 存储引擎的具体架构，下面重点讲解内存和物理结构。

Buffer Pool

用户读取或者写入的最新数据都存储在 Buffer Pool 中，如果 Buffer Pool 中没有找到则会读取物理文件进行查找，之后存储到 Buffer Pool 中并返回给 MySQL Server。Buffer Pool 采用LRU 机制。

Buffer Pool 决定了一个 SQL 执行的速度快慢，如果查询结果页都在内存中则返回结果速度很快，否则会产生物理读（磁盘读），返回结果时间变长，性能远不如存储在内存中。

但我们又不能将所有数据页都存储到 Buffer Pool 中，比如物理 ibd 文件有 500GB，我们的机器不可能配置能容得下 500GB 数据页的内存，因为这样做成本很高而且也没必要。

在单机单实例情况下，我们可以配置 Buffer Pool 为物理内存的 60%~80%，剩余内存用于 session 产生的 sort 和 join 等，以及运维管理使用。

如果是单机多实例，所有实例的buffer pool总量也不要超过物理内存的80%。开始时我们可以根据经验设置一个 Buffer Pool 的经验值，比如 16GB，之后业务在 MySQL 运行一段时间后可以根据 show global status like '%buffer_pool_wait%' 的值来看是否需要调整 Buffer Pool 的大小。

Redo log

Redo log 是一个循环复用的文件集，负责记录 InnoDB 中所有对 Buffer Pool的物理修改日志 。

当 Redo log文件空间中，检查点位置的 LSN 和最新写入的 LSN 差值（checkpoint_age）达到 Redo log 文件总空间的 75% 后，InnoDB 会进行异步刷新操作，直到降至 75% 以下，并释放 Redo log 的空间；

当 checkpoint_age 达到文件总量大小的 90% 后，会触发同步刷新，此时 InnoDB 处于挂起状态无法操作。

这样我们就看到 Redo log 的大小直接影响了数据库的处理能力，如果设置太小会导致强行 checkpoint 操作频繁刷新脏页，那我们就需要将 Redo log 设置的大一些，5.6 版本之前 Redo log 总大小不能超过 3.8GB，5.7 版本之后放开了这个限制。那既然太小影响性能，当然了也不是越大也好，需要权衡考虑。

事务提交时 log buffer 会刷新到 Redo log 文件中，具体刷新机制由参数控制 。

若参数 innodb_file_per_table=ON，则表示用户建表时采用用户独立表空间，即一个表对应一组物理文件，.frm 表定义文件和 .ibd 表数据文件。

当然若这个参数设置为 OFF，则表示用户建表存储在 ibdata 文件中，不建议采用共享表空间，这样会导致 ibdata 文件过大，而且当表删除后空间无法回收。独立表空间可以在用户删除大量数据后回收物理空间，执行一个 DDL 就可以将表空间的高水位降下来了。

5.7新版本特性

• 将 Undo 从共享表空间 ibdata 文件中分离出来，可以在安装 MySQL 时由用户自行指定文件大小和数量。
  
• 增加了 temporary 临时表空间，里面存储着临时表或临时查询结果集的数据。
  
• Buffer Pool 大小可以动态修改，无需重启数据库实例。
  

8.0 新版本特性

• 将 InnoDB 表的数据字典和 Undo 都从共享表空间 ibdata 中彻底分离出来了，以前需要ibdata 文件中数据字典与独立表空间 ibd 文件中数据字典一致才行，8.0 版本就不需要了。
  
• temporary 临时表空间也可以配置多个物理文件，而且均为 InnoDB 存储引擎并能创建索引，这样加快了处理的速度。
  
• 用户可以像 Oracle 数据库那样设置一些表空间，每个表空间对应多个物理文件，每个表空间可以给多个表使用，但一个表只能存储在一个表空间中。
  

InnoDB VS MyISAM

功能对比

事务支持

• InnoDB 支持 ACID 的事务 4 个特性，而 MyISAM 不支持
  
• InnoDB 支持 4 种事务隔离级别，默认是可重复读 Repeatable Read 的，MyISAM 不支持
  
• InnoDB 支持 crash 安全恢复，MyISAM 不支持
  
• InnoDB 支持外键，MyISAM 不支持
  
• InnoDB 支持行级别的锁粒度，MyISAM 不支持，只支持表级别的锁粒度
  
• InnoDB 支持 MVCC，MyISAM 不支持
  

其他

InnoDB 表最大还可以支持 64TB，支持聚簇索引、支持压缩数据存储，支持数据加密，支持查询/索引/数据高速缓存，支持自适应hash索引、空间索引，支持热备份和恢复等。

性能对比

在性能对比上，InnoDB 也完胜 MyISAM，如下图所示。

• 读写混合模式下，随着 CPU 核数的增加，InnoDB 的读写能力呈线性增长，
  
• 在测试用例里，最高可达近 9000 的 TPS，但 MyISAM 因为读写不能并发，它的处理能力跟核数没关系，呈一条水平线，TPS 低于 500。
  
• 只读模式下，随着 CPU 核数的增加，InnoDB 的读写能力呈线性增长，最高可达近 14000 的 TPS，但 MyISAM 的处理能力不到 3000 TPS
  

以上测试仅为说明 InnoDB 比 MyISAM 的处理能力强大，具体 TPS 测试数据跟硬件和测试条件不同而有很大差异。

InnoDB 存储引擎

核心特性

InnoDB 存储引擎的核心特性包括：MVCC、锁、锁算法和分类、事务、表空间和数据页、内存线程以及状态查询。

ARIES 三原则

ARIES 三原则，是指 Write Ahead Logging（WAL）

1. 先写日志后写磁盘，日志成功写入后事务就不会丢失，后续由 checkpoint 机制来保证磁盘物理文件与 Redo 日志达到一致性；
   
2. 利用 Redo 记录变更后的数据，即 Redo 记录事务数据变更后的值；
   
3. 利用 Undo 记录变更前的数据，即 Undo 记录事务数据变更前的值，用于回滚和其他事务多版本读。
   

show engine innodb status\G 的结果里面有详细的 InnoDB 运行态信息，分段记录的，包括内存、线程、信号、锁、事务等，日常工作中可以多多使用，出现问题时从中能分析出具体原因和解决方案。

小结

主要梳理了 MySQL数据库的体系结构，SQL 的执行流程，存储引擎和分类，重点讲解了 InnoDB 存储引擎的体系结构、特性，对比了 InnoDB 和 MyISAM存储引擎的功能和性能，在各方面 InnoDB 都完胜 MyISAM，InnoDB 也是 MySQL 今后重点发力的地方，很多地方都默认采用 InnoDB 进行存储，还有 InnoDB 引擎内部的组成和各版本对比。

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