⑩⑧【MySQL】InnoDB架构、事务原理、MVCC多版本并发控制_百度小程序

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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。
        
        🚀段：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) 。
        
        🚀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。
        
        🚀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。
        
        🚀行：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。
        
        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。
        
        🗜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）
        
        🗜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。
        
        🚀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。
        
        ⚪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。
        
        ⚪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：提供回滚和 MVCC(多版本并发控制) 。
        
        undo log 和redo 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：
        
        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。
        
        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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