Innodb架构｜ 青训营笔记

Anthony_4926
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这是我参与「第五届青训营 」笔记创作活动的第13天

人生没有白走的路，每一步它都算数——考研政治老师孔昱力

1. 概述

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。

2. 内存结构

在左侧的内存结构中，主要分为这么四大块儿：

  • Buffer Pool：从数据库中加过来的数据。
  • Change Buffer：数据库中没有的数据，准备写入到数据库中，先写入到缓冲区。
  • Log Buffer：日志，日志和数据库分开。
  • Hash Index：加快Buffer Pool数据查找用的。

接下来详细一点介绍一下这四个部分。

2.1 Buffer pool

InnoDB存储引擎基于磁盘文件存储，访问物理硬盘和在内存中进行访问，速度相差很大，为了尽可能弥补这两者之间的I/O效率的差值，就需要把经常使用的数据加载到缓冲池中，避免每次访问都进行磁盘I/O。

在InnoDB的缓冲池中不仅缓存了索引页和数据页，还包含了undo页、插入缓存、自适应哈希索引以及InnoDB的锁信息等等。

缓冲池 Buffer Pool，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，也中数据与磁盘的数据产生了不一致。

在专用服务器上，通常将多达80％的物理内存分配给缓冲池 。参数设置： show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

2.2 Change Buffer

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。

Change Buffer的意义是什么呢?

先来看一幅图，这个是二级索引的结构图：

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。

2.3 Adaptive Hash Index

自适应hash索引，用于优化对Buffer Pool数据的查询。MySQL的innoDB引擎中虽然没有直接支持hash索引，但是给我们提供了一个功能就是这个自适应hash索引。因为前面我们讲到过，hash索引在进行等值匹配时，一般性能是要高于B+树的，因为hash索引一般只需要一次IO即可，而B+树，可能需要几次匹配，所以hash索引的效率要高，但是hash索引又不适合做范围查询、模糊匹配等。

InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到在特定的条件下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。

2.4 Log Buffer

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。

  • innodb_log_buffer_size：缓冲区大小

  • innodb_flush_log_at_trx_commit：日志刷新到磁盘时机，取值主要包含以下三个：

    • 1: 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘，默认值。
    • 2: 每秒将日志写入并刷新到磁盘一次。
    • 3: 日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次。

3. 磁盘结构

接下来，再来看看InnoDB体系结构的右边部分，也就是磁盘结构：

3.1 System tablespace

自MySQL8.x后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、undolog等)

系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。默认文件大小是12M，当12M不够用时，他会自动扩展，并不是说扩展一个ibdata2文件，而是在ibdata1的基础上继续增加文件容量。

3.2 File-Per-Table Tablespaces

如果开启了innodb_file_per_table开关（默认） ，则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。

那也就是说，我们每创建一个表，都会产生一个表空间文件，如图：

3.3 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，可以指定该表空间。

  • 创建表空间

    CREATE TABLESPACE ts_name ADD DATAFILE 'file_name' ENGINE = engine_name;

  • 创建表时指定表空间

    CREATE TABLE xxx ... TABLESPACE ts_name;

3.4 Undo tablesapce

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。

3.5 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。

3.6 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。

3.7 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：内存中的重做日志缓冲（redo log buffer）以及磁盘中的重做日志文件（redo log）。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。

以循环方式写入重做日志文件，涉及两个文件：

前面我们介绍了InnoDB的内存结构，以及磁盘结构，那么内存中我们所更新的数据，又是如何到磁盘中的呢？ 此时，就涉及到一组后台线程，接下来，就来介绍一些InnoDB中涉及到的后台线程。

4. 后台线程

在InnoDB的后台线程中，分为4类，分别是：Master Thread、IO Thread、Purge Thread、 Page Cleaner Thread.

  • 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、合并更改缓存、undo页的回收。

  • IO Thread

    在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO来处理IO请求，这样可以极大地提高数据库的性能，而IOThread主要负责这些IO请求的回调。

    线程类型默认个数职责
    Read thread4负责读操作
    Write thread4负责写操作
    Log thread1负责将日;志缓冲区刷新到磁盘
    Insert buf fer thread1负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

  • 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。

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