⑩⑧【MySQL】InnoDB架构、事务原理、MVCC多版本并发控制

news/2024/7/17 4:49:14

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InnoDB存储引擎

  • ⑩⑧【MySQL】详解InnoDB存储引擎
    • 1. InnoDB逻辑存储结构
    • 2. InnoDB架构
      • 🗜内存架构
      • 🗜磁盘架构
      • 🗜后台线程
    • 3. 事务的原理
      • ⚪redo log
      • ⚪undo log
    • 4. MVCC
      • 🐟MVCC基本概念
      • 🐟MVCC实现原理


⑩⑧【MySQL】详解InnoDB存储引擎

1. InnoDB逻辑存储结构

InnoDB逻辑存储结构

  • 🚀表空间(idb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。

  • 🚀: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+树的叶子节点,索引段即为B+树的非叶子节点。段用来管理多个Extent(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,即一个区中一共有64个连续的页。

  • 🚀:是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元,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。

  • 🚀: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:每次对某条引记录进行改动时,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。

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2. InnoDB架构

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。

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🗜内存架构

内存结构 - In-Memory Structures

  • 🚀Buffer Poll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,页中数据与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,而会将数据变更存放在更改缓冲区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。
  • 更改缓冲区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ChangeBuffer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,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。

    • -- innodb中,自适应hash索引的参数:innodb_adaptive_hash_index
      -- 查看是否开启了 自适应hash
      SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_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
      -- 缓冲区大小:innodb_log_buffer_size
      -- 日志刷新到磁盘时机:innodb_flush_log_at_trx_commit
      -- 查看:
      SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_log_buffer_size';
      SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_flush_log_at_trx_commit';
      #或
      SELECT @@innodb_log_buffer_size;
      SELECT @@innodb_flush_log_at_trx_commit;
      
    • 日志刷新到磁盘时机:innodb_flush_log_at_trx_commit(值:0/1/2)

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🗜磁盘架构

磁盘结构 On-Disk Structures

  • 🚀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创建,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、undologs等)。

    • #参数 : innodb_data_file_path
      -- 查看相关信息
      SHOW VARIABLES LIKE '%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
      SHOW VARIABLES LIKE '%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,在创建表时,可以指定通用表空间。

    • -- 创建通用表空间
      CREATE TABLESPACE 通用表空间名称 ADD
      DATAFILE '表空间文件名'
      ENGINE = 存储引擎名;-- 创建表时指定关联的通用表空间
      CREATE TABLE 表名(字段1 字段1类型 [COMMENT 字段1注释],字段2 字段2类型 [COMMENT 字段2注释],字段3 字段3类型 [COMMENT 字段3注释],...字段n 字段n类型 [COMMENT 字段n注释]
      )[COMMENT 表注释] TABLESPACE 通用表空间名称;
      



  • 🚀Undo Tablespaces: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undo log日志。



  • 🚀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。



  • 🚀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。 (双写缓冲区文件:xxx.dblwr文件



  • 🚀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(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

后台线程

  • 🚀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。



  • 🚀IO Thread
    • 在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO(异步非阻塞IO)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请求的回调。
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  • 🚀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。



  • 🚀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。



3. 事务的原理

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。



事务四大特性

  • 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。
  • 一致性(Consistency) 事务完成时,必须使所有的数据都保持一致状态。
  • 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。
  • 持久性(Durability) 事务一旦提交或回滚,它对数据库数据的改变就是永久的。

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⚪redo log

重做日志 - 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。

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⚪undo log

回滚日志 - 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MVCC(多版本并发控制)


undo logredo log 记录物理日志不一样,undo log 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。



4. MVCC


🐟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\update\insert\delete..for update(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,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。

  • 事务隔离级别:
    • 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。



多版本并发控制 - 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




🐟MVCC实现原理

表的隐藏字段

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undo log - 回滚日志

  • 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,在快照读时也需要,不会立即被删除

  • undo log 版本链
    • 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undolog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。
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readView - 读视图
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。


不同的隔离级别,生成ReadViewl的时机不同:

READ COMMITTED:在事务中每一次执行快照读时生成ReadView。
REPEATABLE READ:仅在事务中第一次执行快照读时生成ReadView,后续复用该ReadView。


  • ReadView的4个核心字段:
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https://www.xjx100.cn/news/3091620.html

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