(一)全解MySQL之架构篇:自顶向下深入剖析MySQL整体架构!

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引言

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   无论你是前端还是后端,只要是一个合格的开发者,对于MySQL这个名词相信都不陌生,MySQL逐渐成为了最受欢迎的关系型数据库,无论你是大前端,亦或是Java、Go、Python、C/C++、PHP....等这些语言的程序员,对于MySQL是必然要掌握的核心技术之一,程序员不能没有MySQL,就像西方不能失去耶路撒冷一般。

   当然,MySQL也不仅仅是唯一的数据库,与它类似的关系型数据库竞品还有很多,例如Oracle、SQLServer、PostgreSQL、DB2....,这其中使用最为广泛的是Oracle,但Oracle实际上并不怎么受程序员欢迎,或者说Oracle并不怎么受中小企业的Boss欢迎,原因嘛大家都清楚,无非因为它收费罢了。

也正是由于Oracle收费的原因,才导致MySQL像如今这么流行,正所谓时势造英雄,MySQL作为免费的开源数据库,也正是抓住了这个风口,所以才越发流行。对于MySQL,用一句话形容很贴切:“天不生我MySQL,编程万古如长夜”。

一、MySQL概述与系列预告

MySQL    MySQL数据库是由瑞典的MySQL AB公司开发的,后面这家企业被Sun公司收购,最后Sun公司又被Oracle74亿美元收购,所以本质上MySQL现在隶属于Oracle旗下,因此大家也会发现,MySQL后面的高版本会有收费版出现。

实际上如果MySQL没有并入Oracle的话,是有很大几率问鼎数据库榜首的,造化弄人。

当然,虽然MySQL出了收费版,但Oracle也没有赶尽杀绝,而是向MySQL的用户给出了《十项承诺》,所以我们如今依旧可以使用开源版的MySQL

不过对于这些理论概念就不过多介绍了,毕竟《全解MySQL专栏》的文章并不打算阐述入门这块的内容,因为对于数据库的基础操作知识相信大家都已具备,而接下来的内容,也包括后续的文章,都会去围绕一些偏进阶方面的技术进行全方位剖析,大体的规划如下:

  • 《自顶向下深入剖析MySQL整体架构!》
  • 《一条SQL语句从诞生至结束的多姿多彩历程!》
  • 《库表设计篇:五大范式、BC范式与反范式详解!》
  • 《MySQL索引分类与B+树索引的深入思考与原理剖析》
  • 《MySQL-MVVC并发控制与行锁、表锁、间隙锁机制探讨》
  • 《MySQL事务篇:ACID原则与事务机制深入剖析》
  • 《InnoDB与MyISAM存储引擎的技术内幕》
  • 《MySQL日志篇之undo-log、bin-log、redo-log等傻傻分不清!》
  • 《MySQL内置函数与常用命令大全!》
  • 《SQL优化篇之如何成为一个写SQL的高手!》
  • 《单机MySQL索引、表结构优化及激进调优方案详解》
  • 《MySQL高可用篇之主备读写分离与数据一致性思考》
  • 《MySQL高可用篇之双主双写多活架构剖析!》
  • 《MySQL在海量数据下分库分表的正确姿势》
  • 《MySQL分库分表之MyCat中间件实战》
  • 《MySQL分库分表之Sharding-JDBC实战》
  • 《MySQL分库分表后产生的分布式事务问题!》
  • 《MySQL慢查询、死锁、数据错乱等线上问题排查指南!》
  • 《MySQL8.x新版本的特性及与MySQL5.x版本之间的差异!》
  • ......

整个MySQL系列会按上述目录进行全面阐述,但上述目录只是预期规划内容,实际撰写过程中可能会适当调整,但给出的技术点都会事无巨细的讲到,内容只多不少,因此大家感兴趣的话,可以点个关注,由我伴随诸君一同彻底掌握MySQL数据库。

二、MySQL整体结构浅析

   本章作为MySQL系列的开篇之作,当然也有一定的原因,毕竟只有先对MySQL的整体架构有了一个宏观的认知,才能更好的理解每个细节点的知识。

   MySQL与我们开发项目时相同,为了能够合理的规划整体架构设计,也会将整个MySQL服务抽象成几个大的模块,然后在内部进行实现,因此先来看看MySQL的整体架构,开局先上一张图:
MySQL整体架构
从上往下看,依次会分为网络连接层、系统服务层、存储引擎层、以及文件系统层,往往编写SQL后,都会遵守着MySQL的这个架构往下走。

  • 连接层:主要是指数据库连接池,会负责处理所有客户端接入的工作。
  • 服务层:主要包含SQL接口、解析器、优化器以及缓存缓冲区四块区域。
  • 存储引擎层:这里是指MySQL支持的各大存储引擎,如InnoDB、MyISAM等。
  • 文件系统层:涵盖了所有的日志,以及数据、索引文件,位于系统硬盘上。

OK~,除了上述的四层外,还有客户端,这个客户端可以是各类编程语言,如Java、Go、Python、C/C++、PHP、Node、.Net....,也可以是一些数据库的可视化软件,例如Navicat、SQLyog等,也可以是mysql-cli命令行工具。总之,只要能与MySQL建立网络连接,都可以被称为是MySQL的客户端。

MySQL-Server就是上述图中的那玩意儿,一般来说,客户端负责编写SQL,而服务端则负责SQL的执行与数据的存储。

MySQL的整体架构有了简单了解后,接下来详细的拆解一下MySQL-Server的每个层面。

三、网络连接层

   在之前的《网络之旅》的文章中,我们提到过一点:当一个客户端尝试与MySQL建立连接时,MySQL内部都会派发一条线程负责处理该客户端接下来的所有工作。而数据库的连接层负责的就是所有客户端的接入工作,MySQL的连接一般都是基于TCP/IP协议建立网络连接,因此凡是可以支持TCP/IP的语言,几乎都能与MySQL建立连接。

其实MySQL还支持另一种连接方式,就是Unix系统下的Socket直连,但这种方式一般使用的较少。

   虽然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,一般建立连接的具体协议,都会根据不同的客户端实现,如jdbc、odbc...这类的。在这里先暂且不纠结连接MySQL时的协议类型,先来看看一般是怎么连接MySQL的?如下:

mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p123456

例如上述这条指令,-h表示MySQL所在的服务器IP地址,-u表示本次连接所使用的用户名,-p则代表着当前用户的账号密码,当执行这条指令后,会与MySQL-Server建立网络连接,也就是会经历《TCP的三次握手过程》。当然,MySQL也支持SSL加密连接,如果采用这种方式建立连接,那还会经过《SSL多次握手过程》,当握手结束,网络建立成功后,则会开始正式的数据库连接建立工作。

TCP网络连接建立成功后,MySQL服务端与客户端之间会建立一个session会话,紧接着会对登录的用户名和密码进行效验,MySQL首先会查询自身的用户表信息,判断输入的用户名是否存在,如果存在则会判断输入的密码是否正确,如若密码错误或用户名不存在就会返回1045的错误码,如下信息:

ERROR 1045 (28000): Access denied for user 'zhuzi'@'localhost' (using password: YES)

如果你在连接数据库的过程中,出现了上述的错误信息,那绝对是你输入的用户名或密码错误导致的,当账号及密码正确时,此时就会进入MySQL的命令行,接下来可以执行SQL操作。

但实际上,在用户名和密码都正确的情况下,MySQL还会做一些些小动作,也就是会进行授权操作,查询每个用户所拥有的权限,并对其授权,后续SQL执行时,都会先判断是否具备执行相应SQL语句的权限,然后再执行。

OK~,经过上述流程后数据库连接就建立成功了,数据库连接建立成功后,MySQL与客户端之间会采用半全工的通讯机制工作,与之对应的还有“双全工、单工”的工作模式:

  • 双全工:代表通讯的双方在同一时间内,即可以发送数据,也可以接收数据。
  • 半全工:代表同一时刻内,单方要么只能发送数据,要么只能接受数据。
  • 单工:当前连接只能发送数据或只能接收数据,也就是“单向类型的通道”。

到这里,MySQL也会“安排”一条线程维护当前客户端的连接,这条线程也会时刻标识着当前连接在干什么工作,可以通过show processlist;命令查询所有正在运行的线程:

执行结果如下(root账号可以查询所有线程):
线程查询

  • Id:当前线程的ID值,可以利用这个ID,使用kill强杀线程。
  • User:当前线程维护的数据库连接,与之对应的用户是谁。
  • Host:与当前线程保持连接关系的客户端地址(IP+Port)。
  • db:目前线程在哪个数据库中执行SQL
  • Command:当前线程正在执行的SQL类型,如:
    • Create DB:正在执行创建数据库的操作。
    • Drop DB:正在执行删除数据库的操作。
    • Execute:正在执行预编译的SQLPreparedStatement)。
    • Close Stmt:正在关闭一个PreparedStatement
    • Query:正在执行普通的SQL语句。
    • Sleep:正在等待客户端发送SQL语句。
    • Quit:当前客户端正在退出连接。
    • Shutdown:正在关闭MySQL服务端。
  • Time:表示当前线程处于目前状态的时间,单位是秒。
  • State:表示当前线程的状态,有如下几种:
    • Updating:当前正在执行update语句,匹配数据做修改操作。
    • Sleeping:正在等待客户端发送新的SQL语句。
    • Starting:目前正在处理客户端的请求。
    • Checking table:目前正在表中查询数据。
    • Locked:当前线程被阻塞,其他线程获取了执行需要的锁资源。
    • Sending Data:目前执行完成了Select语句,正在将结果返回给客户端。
  • Info:一般记录当前线程正在执行的SQL,默认显示前一百个字符,查看完整的SQL可以使用show full processlist;命令。

其实从这个结果上来看,我们能够很明显的看到数据库中各个线程的信息,这条指令对于以后做线上排查时有很大的作用,目前先简单了解,接着来看看数据库连接池。

3.1、数据库连接池(Connection Pool)

   Connection Pool翻译过来的意思就是连接池,那为什么需要有这个东西呢?因为前面聊到过,所有的客户端连接都需要一条线程去维护,而线程资源无论在哪里都属于宝贵资源,因此不可能无限量创建,所以这里的连接池就相当于Tomcat中的线程池,主要是为了复用线程、管理线程以及限制最大连接数的。

   连接池的最大线程数可以通过参数max-connections来控制,如果到来的客户端连接超出该值时,新到来的连接都会被拒绝,关于最大连接数的一些命令主要有两条:

  • show variables like '%max_connections%';:查询目前DB的最大连接数。
  • set GLOBAL max_connections = 200;:修改数据库的最大连接数为指定值。

对于不同的机器配置,可以适当的调整连接池的最大连接数大小,以此可以在一定程度上提升数据库的性能。除了可以查询最大连接数外,MySQL本身还会对客户端的连接数进行统计,对于这点可以通过命令show status like "Threads%";查询:
连接数查询

其中各个字段的释义如下:

  • Threads_cached:目前空闲的数据库连接数。
  • Threads_connected:当前数据库存活的数据库连接数。
  • Threads_createdMySQL-Server运行至今,累计创建的连接数。
  • Threads_running:目前正在执行的数据库连接数。

对于几个字段很容易理解,额外要说明的一点是Threads_cached这个字段,从名称上来看,似乎跟缓存有关系,其实也没错,因为这里是有一个数据库内部的优化机制。当一个客户端连接断开后,对于数据库连接却不会立马销毁,而是会先放入到一个缓存连接池当中。这样就能在下次新连接到来时,省去了创建线程、分配栈空间等一系列动作,但这个值不会是无限大的,一般都在32左右。

连接池的优化思想与Java线程池相同,会将数据库创建出的连接对象放入到一个池中,一旦出现新的访问请求会复用这些连接,一方面提升了性能,第二方面还节省了一定程度上的资源开销。

四、系统服务层

   学习了MySQL网络连接层后,接下来看看系统服务层,MySQL大多数核心功能都位于这一层,包括客户端SQL请求解析、语义分析、查询优化、缓存以及所有的内置函数(例如:日期、时间、统计、加密函数...),所有跨引擎的功能都在这一层实现,譬如存储过程、触发器和视图等一系列服务。

服务层
也就是上述这几部分,主要包含SQL接口、解析器、优化器以及缓存相关的这些部分。当然,也许你会问我还有一个[管理服务&工具组件]呢,这块其实属于全局的,属于MySQL的基础设施服务,接下来一个个的讲一下服务层的各个细节吧。

4.1、SQL接口

   SQL接口组件,这个名词听上去似乎不太容易理解,其实主要作用就是负责处理客户端的SQL语句,当客户端连接建立成功之后,会接收客户端的SQL命令,比如DML、DDL语句以及存储过程、触发器等,当收到SQL语句时,SQL接口会将其分发给其他组件,然后等待接收执行结果的返回,最后会将其返回给客户端。

简单来说,也就是SQL接口会作为客户端连接传递SQL语句时的入口,并且作为数据库返回数据时的出口。

对于这个组件没太多好聊的,简单展开两点叙述一下后就结束这个话题,第一点是对于SQL语句的类型划分,第二点则是触发器。在SQL中会分为五大类:

  • DML:数据库操作语句,比如update、delete、insert等都属于这个分类。
  • DDL:数据库定义语句,比如create、alter、drop等都属于这个分类。
  • DQL:数据库查询语句,比如最常见的select就属于这个分类。
  • DCL:数据库控制语句,比如grant、revoke控制权限的语句都属于这个分类。
  • TCL:事务控制语句,例如commit、rollback、setpoint等语句属于这个分类。

再来聊一聊MySQL的触发器,这东西估计大部分小伙伴没用过,但它在有些情景下还较为实用,不过想要了解触发器是什么,首先咱们还得先理解存储过程。

存储过程:是指提前编写好的一段较为常用或复杂SQL语句,然后指定一个名称存储起来,然后先经过编译、优化,完成后,这个“过程”会被嵌入到MySQL中。

也就是说,[存储过程]的本质就是一段预先写好并编译完成的SQL,而我们要聊的触发器则是一种特殊的存储过程,但[触发器]与[存储过程]的不同点在于:存储过程需要手动调用后才可执行,而触发器可由某个事件主动触发执行。在MySQL中支持INSERT、UPDATE、DELETE三种事件触发,同时也可以通过AFTER、BEFORE语句声明触发的时机,是在操作执行之前还是执行之后。

说简单一点,[MySQL触发器]就类似于Spring框架中的AOP切面。

OK~,至此就先打住,对于这些概念暂且了解到这里,后续会专门去聊MySQL的存储过程、触发器、视图等这些特殊的操作。

4.2、解析器

   客户端连接发送的SQL语句,经过SQL接口后会被分发到解析器,解析器这东西其实在所有语言中都存在,Java、C、Go...等其他语言都有,解析器的作用主要是做词法分析、语义分析、语法树生成...这类工作的,如果对于这个具体过程感兴趣,可以参考之前的《JVM-执行引擎子系统-Javac编译过程》Java源码在编写后,会经历这个过程,SQL语言同样类似。

   而解析器这一步的作用主要是为了验证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。稍微拓展一点大家就明白了,好比如我们编写如下一条SQL

select * form user;

然后运行会得到如下错误信息:

ERROR 1064 (42000): You have an error in your SQL syntax; check....

在上述SQL中,我们将from写成了form,结果运行时MySQL提示语法错误了,MySQL是如何发现的呢?就是在词法分析阶段,检测到了存在语法错误,因此抛出了对应的错误码及信息。当然,如果SQL正确,则会进行下一步工作,生成MySQL能看懂的执行指令。

4.3、优化器

   解析器完成相应的词法分析、语法树生成....等一系列工作后,紧接着会来到优化器,优化器的主要职责在于生成执行计划,比如选择最合适的索引,选择最合适的join方式等,最终会选择出一套最优的执行计划。

当然,在这里其实有很多资料也会聊到,存在一个执行器的抽象概念,实际上执行器是不存在的,因此前面聊到过,每个客户端连接在MySQL中都用一条线程维护,而线程是操作系统的最小执行单位,因此所谓的执行器,本质上就是线程本身。

优化器生成了执行计划后,维护当前连接的线程会负责根据计划去执行SQL,这个执行的过程实际上是在调用存储引擎所提供的API

4.4、缓存&缓冲

   这块较为有趣,主要分为了读取缓存与写入缓冲,读取缓存主要是指select语句的数据缓存,当然也会包含一些权限缓存、引擎缓存等信息,但主要还是select语句的数据缓存,MySQL会对于一些经常执行的查询SQL语句,将其结果保存在Cache中,因为这些SQL经常执行,因此如果下次再出现相同的SQL时,能从内存缓存中直接命中数据,自然会比走磁盘效率更高,对于Cache是否开启可通过命令查询。

  • show global variables like "%query_cache_type%";:查询缓存是否开启。
  • show global variables like "%query_cache_size%";:查询缓存的空间大小。

同时还可以通过show status like'%Qcache%';命令查询缓存相关的统计信息。

缓存统计

  • Qcache_free_blocks:查询缓存中目前还有多少剩余的blocks
  • Qcache_free_memory:查询缓存的内存大小。
  • Qcache_hits:表示有多少次查询SQL命中了缓存。
  • Qcache_inserts:表示有多少次查询SQL未命中缓存然后走了磁盘。
  • Qcache_lowmem_prunes:这个值表示有多少条缓存数据从内存中被淘汰。
  • Qcache_not_cached:表示由于自己设置了缓存规则后,有多少条数据不符合缓存条件。
  • Qcache_queries_in_cache:表示当前缓存中缓存的数据数量。
  • Qcache_total_blocks:当前缓存区中blocks的数量。

当然,由于我是MySQL5.7版本,因此对于这些依旧可以查询到,但是在高版本的MySQL中,移除了查询缓存区,毕竟命中率不高,而且查询缓存这一步还要带来额外开销,同时一般程序都会使用Redis做一次缓存,因此结合多方面的原因就移除了查询缓存的设计。

简单了解了查询缓存后,再来看看写入缓冲,这也是我说的比较有趣的点,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。在数据库中读取某页数据操作时,会先将从磁盘读到的页存放在缓冲区中,后续操作相同页的时候,可以基于内存操作。

一般来说,当你对数据库进行写操作时,都会先从缓冲区中查询是否有你要操作的页,如果有,则直接对内存中的数据页进行操作(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。

MySQL在设计时,通过缓冲区能减少大量的磁盘IO,从而进一步提高数据库整体性能。毕竟每次操作都走磁盘,性能自然上不去的。

PS:后续高版本的MySQL移除了查询缓存区,但并未移除缓冲区,这是两个概念,请切记!

同时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

五、存储引擎层

   存储引擎也可以理解成MySQL最重要的一层,在前面的服务层中,聚集了MySQL所有的核心逻辑操作,而引擎层则负责具体的数据操作以及执行工作。

   如果有小伙伴研究过Oracle、SQLServer等数据库的实现,应该会发现这些数据库只有一个存储引擎,因为它们是闭源的,所以仅有官方自己提供的一种引擎。而MySQL则因为其开源特性,所以存在很多很多款不同的存储引擎实现,MySQL为了能够正常搭载不同的存储引擎运行,因此引擎层是被设计成可拔插式的,也就是可以根据业务特性,为自己的数据库选择不同的存储引擎。

MySQL的存储引擎主要分为官方版和民间版,前者是MySQL官方开发的,后者则是第三方开发的。存储引擎在MySQL中,相关的规范标准被定义成了一系列的接口,如果你也想要使用自己开发的存储引擎,那么只需要根据MySQL AB公司定义的准则,编写对应的引擎实现即可。

MySQL目前有非常多的存储引擎可选择,其中最为常用的则是InnoDBMyISAM引擎,可以通过show variables like '%storage_engine%';命令来查看当前所使用的引擎。其他引擎如下:
存储引擎

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,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。

后续也会有专门的文章详细聊到MySQL的存储引擎,这里先简单了解即可。

六、文件系统层

文件层
这一层则是MySQL数据库的基础,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,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。

这一层主要可分为两个板块:①日志板块。②数据板块。

6.1、日志模块

   在MySQL中主要存在七种常用的日志类型,如下:

  • binlog二进制日志,主要记录MySQL数据库的所有写操作(增删改)。
  • redo-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)。
  • undo-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。
  • error-log:错误日志:记录MySQL启动、运行、停止时的错误信息。
  • general-log常规日志,主要记录MySQL收到的每一个查询或SQL命令。
  • slow-log:慢查询日志,主要记录执行时间较长的SQL
  • relay-log:中继日志,主要用于主从复制做数据拷贝。

上述列出了MySQL中较为常见的七种日志,但实际上还存在很多其他类型的日志,不过一般对调优、排查问题、数据恢复/迁移没太大帮助,用的较少,因此不再列出。

同样,这里先简单认识一下,后续会专门开一篇《MySQL日志篇》全面剖析。

6.2、数据模块

   前面聊到过,MySQL的所有数据最终都会落盘(写入到磁盘),而不同的数据在磁盘空间中,存储的格式也并不相同,因此再列举出一些MySQL中常见的数据文件类型:

  • 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/.iniMySQL的配置文件,Windows下是.ini,其他系统大多为.cnf
  • ......

上述列举了一些MySQL中较为常见的数据文件类型,无论是前面的日志文件,亦或是现在的数据文件,这些都是后续深入剖析MySQL时会遇到的,因此在这里先有个简单认知,方便后续更好的理解MySQL

当然,上述并没有完全列出MySQL所有的日志类型和文件类型,大家有兴趣的可以去自行翻看一下安装MySQL的目录,你会找其中找到很多其他类型的日志或数据文件~

七、MySQL架构篇小结

   看到这里,《MySQL架构篇》就已经接近尾声啦,本文的主要目的是在于先对MySQL的整体架构有一个基本认知,这也为咱们后续的文章打下了坚实的基础,因为毕竟想要深入研究一个技术,那定然不能如同管中窥豹一般,仅看一个细节点,而是更应该是先窥其全貌,再深入细节。

这里也是学习底层、源码、原理、调优等知识的一个小技巧,如果只关注于某一个点,很容易出现“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的情况,好比你想要研究“庐山”,但是一上来就抓着里面的某颗松树往死里钻,这定然是不妥的,更应该的是先从整体出发,先将整个庐山的面貌看清楚,最后再依次根据所观察到的全貌,逐步研究每个节点上的细节。

学习底层原理、源码实现,亦或是做性能调优、线上排查,一定要遵循“先理主干,再扣细节”的方式。

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