【MySQL】InnoDB存储引擎详解

InnoDB引擎是MySQL5.5版本之后默认的存储引擎

逻辑存储结构

首先是表空间Tablespace（ibd文件）：一个mysql实力可以对应多个表空间，用于存储及记录，索引等数据

这些存储记录，索引等数据中是用段(Segment)来存储的
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

段用来管理多个区（Extent）

区：表空间的单元结构，每个区为1MB，默认情况下，InnoDB存储引擎页的大小是16KB，即一个区中又64个页（Page）

页：是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认是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

页中存放的是行Row，InnoDB存储引擎数据是按行进行存放的

如表中的隐藏字段：
Trx_id:每次对某条记录进行改动时，都会把对应的十五id赋值给trx_id隐藏列
Roll_pointer:每次对某条印记路进行改动时，都会把旧的版本写入到undo日志中，然后这个隐藏列相当于一个指针，同故宫他来找到该记录修改前的信息

架构

InnoDB引擎是MySQL5.5版本之后默认的存储引擎，他擅长事务处理，具有崩溃恢复特性，在日常中使用非常广泛

首先介绍InnoDB的内存结构

InnoDB内存结构

Buffer Pool：

缓冲池时主内存的区域，里面可以缓存磁盘上经常操作的真实区域，在执行CRUD操作时，前操作缓存池中的数据(如果没有，那么久从磁盘上加载并且缓存)，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

这么做的原因是，如果每次都是磁盘操作，那么就会出现大量的磁盘IO，而且是随机IO，这样非常消耗性能

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 ，未被使用过
clean page：被使用过，但是数据没修改
dirty page：脏页，被使用过page，数据被修改过，与磁盘内的数据不一致

Change Buffer：

更改缓冲区(针对于非唯一二级缓存页)，5.x的版本是一个叫Insert Buffer的东西，8.0才出现的

再执行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缓冲池中，再将合并后的数据刷到磁盘上

Change Buffer的意义：
与聚集索引不同，二级索引通常是非唯一的，并且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所引述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，我们在缓冲池中进行合并处理，减少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的插叙，如果换查到hash索引可以提升速度，则建立hash索引，称为自适应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

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，日志缓冲区的日知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IO；
可以配置缓冲区大小和日志刷新到磁盘的时机

磁盘结构

InnoDB磁盘结构

System Tablespace:

系统表空间是更改缓冲区的存储区域，如果是在系统表空间而不是每个表文件或通用表文件创建的，他也可能包含表和索引数据,(在5.X版本中还包含InnoDB数据词典，undolog等)

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，兵存储在文件系统上的单个数据文件中

General Tablespace：

通用表空间，是手动创建的而不是系统自带的，需要通过CREATE TABLESPACE语法创建通用表空间，在创建时，可以指定该表空间
如：

# 创建一个通用表空间ts_xx, 这个表空间对应的磁盘文件xxx.ibd
create tablespace ts_xx add datafile 'xxx.ibd' engine = innodb;

# 创建一个表xxx，他的表空间是上面创建的ts_xx
create table xxx(id long primary key auto_increment , name varchar(20)) engine = innodb tablespace ts_xx;

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使用绘画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，先将数据页写入双鞋缓冲区文件中，便于系统异常时恢复数据

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)，前者时在内存中，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，发生错误后进行数据回复
事务持久性依赖于该日志

分别介绍了内存和磁盘结构，那么就需要把两个结构连接起来，而后台线程就是把他们连接起来的工具

后台线程

后台线程的作用就是把InnoDB存储引擎缓冲池的数据在合适的时间刷新到磁盘文件中

后台线程分为四种

1. 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

2. IO Thread：

在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO(异步非阻塞)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

IO Thread又包括四种

Read Thread：负责读操作，默认4个
Write Thread：负责写操作，页默认4个
Log Thread：负责将日志缓冲区刷新到磁盘，默认1个
Insert Buffer Thread：负责将缓冲区内容刷新到磁盘，默认1个

下面是如何查看状态

show engine innodb status;

然后直接去找FILE I/O就可以看到IO线程了

3. Purge Thread

主要用于回收事务已经提交了的undo log ，在十五提交之后，undo log 可能不用了，就用它来回收

4. Page Cleaner Thread

协助 Master Thread 刷新脏页到磁盘的线程，可以减轻MT的工作压力，减少阻塞

InnoDB事务的原理

InnoDB引擎很重要的一个功能就是支持了事务

事务：是一组操作的集合，他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，及这些操作要么同时成功，要么同时失败

事务的四大特性：ACID

原子性(Atomicity): 事务时不可分割的最小单元，同时成功或同时失败

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，他对数据库中的数据改变就是永久的

隔离性又涉及到了隔离级别：读未提交，读已提交，可重复读，串行化，默认可重复读

事务的原理

对于原子性，一致性，持久性来说，在InnoDB中是由redo log 和 undo log来保证的
隔离性是由锁机制和MVCC(多版本并发控制)来保证的

redo log保证持久性

redo log ：重做日志记录的事务提交时数据页的物理修改，使用来实现事务的持久性的
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)，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存到日志文件中，用于刷新脏页到磁盘，发生错误时，进行数据恢复使用

过程
当事务的请求发送给数据库时，首先会看看内存的缓冲池有没有相对的数据，没有的话要去磁盘里面读出来加载到缓存中
在这里插入图片描述
当缓存池中，页的数据被进行了更改，就会形成脏页，会在下次对磁盘进行读写的时候给更改进去
脏页数据写回
但如果，脏页的数据刷新到磁盘的过程出错了，此时内存数据没刷新进去，但是事务已经提交了，这时候 - 由于磁盘数据与事务的数据不同，那么持久性就没得到保证

为了保证事务一致性，就出现了redo log，与刚才的直接提交的操作不同，他会先把脏页给到内存中的Redolog Buffer一份
Redolog Buffer中记录数据页变化
当客户端事务提交之后，RedologBuffer会向磁盘内提交数据页变化，持久性的保持在磁盘文件中

直接刷新到磁盘log

在这之后，如果脏页刷新到磁盘文件失败的话，他可以通过redo log来进行恢复

事务提交时直接刷新ibd和直接redolog记录这个过程看似相同，但其实有很大的差别：
在事务中，我们的操作大多都是随机操作各个数据页的，这其中涉及到了大量的随即磁盘IO，很耗费性能，而log日志时顺序记录的，即顺序磁盘IO，这两者之间相差了很大的性能
这种机制叫做WAL(Write-Ahead Logging)

因为脏页早晚都会正常写入，所以log里就会有很多无用的日志，这时候就需要定时清理，两个log文件循环记录

Undo Log 解决事务原子性

undo log：回滚日志，用于记录数据被修改前的信息，作用有两个：提供回滚和MVCC

undolog 和redolog记录物理日志不一样，他记录的是逻辑日志：
比如我写了一条delete，删除id为1的数据，那么undolog记录的则是相反的，插入一条id为1的数据，数据的内容就是删除的内容
比如我写了一条update ，把id为2的姓名从李四改成张三，那么undolog记录的就是 update - 把id为2的人的姓名改成李四

当执行rollback时，就直接调用对应的undolog，从而实现了内容的回滚。

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undolog，因为这些日志还可能会用在MVCC中
Undo log存储：undo log采用段的方式进行管理和记录，存放在rollback segment回滚段中，其中包含了1024个undo log segment；

MVCC

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
比如：select lock in share mode，insert，delete

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
Read Committed：每次select 都生成一个快照都
Repeatable Read：开启事务后第一个select语句才是快照读的地方
Serializable：快照读都会退化为当前读

MVCC：
全程Multi-Version Concurrency Control ，多版本并发控制，指维护一个数据的多个版本，是的读写操作没有冲突，快照都为MySQL实现MVCC提供了一个非阻塞读的功能

MVCC的具体实现，还需要依赖于数据库记录的三个隐式字段，undolog，readView

MVCC实现原理

记录当中的隐藏字段：
DB_TRX_ID: 最近修改十五ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID
DB_ROLL_PTR:回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合undo log ，指向下一个版本
DB_ROLL_ID: 隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段

看表结构的方法：

	ibd2sdi xx.ibd;

当然也可以用navicat直接看

undo log版本链：

不同或相同事务对同一条数据进行修改，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，尾部是最早的旧记录

而具体要返回哪个版本，需要有readview决定
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(也就是未提交的事务)id

readview有四个核心字段：
m_ids: 当前活跃的事务ID集合
min_trx_id: 最小活跃事务ID
max_trx_id: 预分配事务ID，也就是当前最大事务ID+1
creator_trx_id: ReadView创建者的事务ID

版本链数据访问规则：
我们令当前事务ID为trx_id

trx_id == creator_trx_id ? 可以访问该版本 -> 成立则说明数据是这个事务更改的
trx_id < min_trx_id ? 可以访问该版本 -> 成立则说明该数据已经提交过了
trx_id > max_trx_id ? 不可以访问该版本 -> 成立则说明该事务时在readview生成之后才开启的
min_trx_id <= trx_id < max_trx_id ? 如果trx_id不在m_ids中是可以访问该版本的 -> 成立则说明数据已经提交了

不同隔离级别，生成readview的实际不同

读已提交：在事务中每次执行快照读时生成readview

可重复读：仅在事务中第一次执行快照读时生成readview，后续复用该readview

用readview生成后得到的四个核心字段，带入到上面的判断是否能访问的公式中，然后从undolog版本链由上到下依次寻找，那个版本符合就可以访问哪个版本

这就是MVCC，在快照读的时候决定使用哪个版本
而MVCC加上锁，就保证了数据的隔离性

而一致性是由redo log 和 undo log共同保证的