MYSQL数据库——InnoDB存储引擎

一.逻辑存储结构

二.架构

1.内存结构

1.缓冲池（buffer_pool）

缓冲池buffer_pool:缓冲池是主内存中的一个区域，里面可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，根据状态可将page分为：

①free page：空闲page，未被使用

②clean page：被使用page，数据没有被修改过

③dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，数据与磁盘的数据不一致。

缓冲池 Buffer Pool 用于加速数据的访问和修改。
默认大小 128 M
缓存数据到内存，最大限度地减少磁盘 IO，加速热点数据的读和写
使用 **LRU 算法（最近最久未使用）**淘汰非热点数据页
LRU：根据页数据的历史访问来淘汰数据，如果数据最近被访问过，那么将来访问的几率也更高，优先淘汰最近没有被访问到的数据
Buffer Pool 中的数据以页为存储单位，数据结构是单链表
对于 Buffer Pool 中数据的「查询」，InnoDB 直接读取返回；
对于 Buffer Pool 中数据的「修改」，InnoDB 直接在 Buffer Pool 中修改，并将修改写入 redo Log 中，当数据页被 LRU 算法淘汰时写入磁盘，若持久化前系统崩溃，则在重启后使用 redo Log 进行恢复。

2.修改缓冲区（change buffer）

Change Buffer 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，在未来数据被读取中，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存在的意义：

与聚集索引不同，二级索引是非唯一的，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，会造成大量磁盘IO，有Change Buffer后，可在缓冲池进行合并处理，减少磁盘IO。

3.自适应hash索引（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。

无需人工干预，是系统根据情况自动完成。

4.日志缓冲区（Log Buffer）

日志缓冲区用来保存要写入到磁盘中的log日志（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节省磁盘IO。

2.磁盘结构

在磁盘中，InnoDB 存储引擎将数据、索引、表结构和其他缓存信息等存放的空间称为表空间（Tablespace），它是物理存储中的最高层，由段Segment、区Extent、页Page、行Row 组成。

目前的表空间类别包括：

系统表空间（System Tablespace），关闭独立表空间，所有表数据和索引都会存入系统表空间
独立表空间（File-per-table Tablespace），开启独立表空间，每张表的数据都会存储到一个独立表空间
通用表空间（General Tablespace）
回滚表空间（Undo Tablespace）
临时表空间（The Temporary Tablespace）

双写缓冲区（doublewrite Buffer Files）：InnoDB存储引擎将数据页从Buffer Pool刷新到磁盘前，先将数据写入该缓冲区，便于系统异常时恢复数据。

重做日志（redo Log）：用来实现事务的持久性，分为重做日志缓冲（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，当事务提交后会把所有修改信息都保存到该日志中，用于在刷新脏页到磁盘时，发生错误时，进行数据恢复使用。

3.后台线程

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中大量使用了AIO来处理IO请求，这样可极大提高数据库的性能，IO thread主要负责这些IO请求的反馈。

3.Purge Thread

主要用于回收事务已提交的undo log，在事务提交后，undo log可能不用了，就通过它来回收

4.Page Cleaner Thread

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

三.事务原理

1.redolog

重做日志记录的是事务提交数据页的物理修改，用来实现事务的持久性，分为重做日志缓冲和重做日志文件，前者在内存中，后者在磁盘中，当事务提交后把所有修改信息都存到改日志文件中，用于在刷新脏页到磁盘发生错误时，进行数据恢复使用。

2.undo log

回滚日志，用来实现事务的原子性。用于记录数据被修改前的信息，作用：①提供回滚②MVCC（多版本并发控制）

undo Log是记录逻辑日志（redo log记录物理日志），可认为当delete一条记录时，undo log会记录一条对应的insert记录，当update一条记录时，记录一条对应相反的update记录，当执行rollback时，就可以从redo 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，事物提交时，并不会立即删除undo log，因为这些日志可能会用于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

redo Log 和undo Log保证了事务的一致性

三.MVCC

当前读：读取的是记录的最新版本，读取时需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，对于我们的日常操作，如：select...lock in share mode(共享锁），select...for update、update、insert、delete（排他锁）都是当前读。
快照读：简单的select(不加锁）就是快照读，快照读记录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 生成一个快照读。
Repeatable Read：开启事务后的第一个select语句才是快照读的地方
Serializable：快照读会退化为当前读

MVCC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+锁保证了事务的隔离性