MySQL高级10-InnoDB引擎存储架构

一、逻辑存储结构

　　

　　表空间(Tablespace)：一个mysql实例，及一个数据库实例，可以对应多个表空间(ibd文件)，用于存储记录，索引等数据。

　　

　　段(Segment)：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(Extent)：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(Page)：页是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页大小默认为16K,为了保证页的连续，InnoDB存储引擎每次从磁盘申请4-5个区

　　行(Row)：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赋值给这个trx_id隐藏列。Roll_pointer：每次对某条记录进行改动时，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，通过它可以找到该记录修改前的信息

二、整体架构

　　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，左侧为内存架构，右侧为磁盘架构。　

　　

三、内存结构

　

　　内存架构中主要分为：Buffer Poll(内存缓冲池)、Change Buffer()、LogBuffer()、Adaptive Hash Index()四个区。

　　3.1 Buffer Pool

　　　　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，加快出来速度。缓冲池以Page页为单位，底层采用链表数据结构管理Page，根据状态可以将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，其中数据与磁盘上的数据产生了不一致。

　　3.2 Change Buffer

　　　　更改缓冲区，针对与非唯一二级索引页，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，而是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，再讲合并后的数据刷新到磁盘中。

　　　　Change Buffer的意义：与集聚索引不同，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，删除和更新都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Change Buffer之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘IO

　　

　　3.3 Adaptive Hash index

　　　　自适应hash索引，InnoDB默认是不支持hash索引的，默认支持的是B+树的索引。因为hash索引不支持范围查找，仅可以用来做值匹配查找。但是自适应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项索引页的查询，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。通过 innodb_adaptive_hash_index 参数可以配置自适应hash索引的开启和关闭。

mysql> show variables like "%innodb_adaptive_hash_index%";
+----------------------------------+-------+
| Variable_name                    | Value |
+----------------------------------+-------+
| innodb_adaptive_hash_index       | ON    |
| innodb_adaptive_hash_index_parts | 8     |
+----------------------------------+-------+
2 rows in set (0.00 sec)

　　3.4 Log Buffer

　　　　日志缓冲区，用来保存要写入到磁盘中的log日志（redolog，undolog），默认大小为16M, 日志缓冲区的日志会定期刷新到磁盘中，如果需要更新、插入或者删除许多行的事务，增加日志缓冲区的大小可以节省磁盘i/o

　　　　通过 innodb_log_buffer_size 参数可以查看缓冲区大小

　　　　通过 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数可以查看刷新到磁盘时机。这里有0,1,2三个值：

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

mysql> show variables like "innodb_log_buffer_size";
+------------------------+----------+
| Variable_name          | Value    |
+------------------------+----------+
| innodb_log_buffer_size | 16777216 |
+------------------------+----------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql>   show variables like "%flush_log%";
+--------------------------------+-------+
| Variable_name                  | Value |
+--------------------------------+-------+
| innodb_flush_log_at_timeout    | 1     |
| innodb_flush_log_at_trx_commit | 1     |
+--------------------------------+-------+
2 rows in set (0.00 sec)

四、磁盘架构

　　

　　4.1 System Tablespace　　

　　　　在MySQL中，System Tablespace（系统表空间）是一个用于存储系统表和一些特殊表的默认表空间。系统表空间包含了以下几个重要的系统表：

• • mysql.user：存储了MySQL中的用户和权限信息。
  • mysql.db：存储了所有数据库的信息。
  • mysql.host：存储了允许连接到MySQL服务器的主机信息。
  • mysql.tables_priv：存储了表级别的权限信息。
  • mysql.columns_priv：存储了列级别的权限信息。

　　　　系统表空间还包含其他系统表，用于存储MySQL服务器的配置和元数据信息。
　　　　系统表空间默认存储在名为`ibdata1`的共享文件中。这个文件通常位于MySQL的数据目录下。

　　　　

　　　　要注意的是，在InnoDB存储引擎中，除了系统表空间（System Tablespace），还存在一个叫做表空间文件（Tablespaces）的概念。表空间文件用于存储用户创建的表和索引。每个InnoDB表都会有一个对应的表空间文件。
　　　　需要注意的是，有时候系统表空间的大小会超过预期，导致空间不足或性能问题。在这种情况下，可以考虑调整系统表空间的大小或进行其他优化措施以解决问题。
　　　　总结：系统表空间是MySQL中用于存储系统表和特殊表的默认表空间，包含了一些重要的系统表，通常存储在名为`ibdata1`的共享文件中。

　　4.2 File-Per-Table Tablespace

　　　　

　　　　File-Per-Table Tablespace（每个表一个表空间）是MySQL中的一个存储配置选项，它允许每个InnoDB表使用单独的表空间文件来存储数据和索引。这与默认情况下的系统表空间不同。

　　　　在默认情况下，所有的InnoDB表共享一个系统表空间，即存储在ibdata1文件中。而使用File-Per-Table Tablespace选项，每个InnoDB表都会有一个独立的表空间文件，位于数据目录下。

　　　　File-Per-Table Tablespace的优点包括：

• • 管理：每个表有自己的表空间文件，方便管理和维护。可以更方便地备份、恢复或迁移单个表。
  • 性能：每个表具有独立的表空间文件，可以在磁盘上更好地分布和组织数据，提高性能和并发访问的能力。
  • 存储空间：使用File-Per-Table Tablespace可以更有效地使用存储空间。当有大量小表或经常进行删除和重建表时，每个表的表空间文件可以更好地管理空间，避免系统表空间的不断增长。

　　　　File-Per-Table Tablespace的缺点和注意事项包括：

• • 管理复杂性：每个表都会有一个独立的表空间文件，这可能增加了管理的复杂性，包括备份和维护的管理操作。
  • 存储和文件系统：使用File-Per-Table Tablespace可能涉及更多的磁盘IO操作，并可能增加文件系统的碎片化问题。

　　　　使用File-Per-Table Tablespace可以在创建表时进行配置或在现有表上进行更改。要在创建新表时启用File-Per-Table Tablespace，可以在创建表的DDL语句中加上ENGINE=InnoDB选项。要在已有表上启用File-Per-Table Tablespace，可以使用MySQL的ALTER TABLE语句并设置innodb_file_per_table参数为ON。

　　　　总结：File-Per-Table Tablespace是MySQL InnoDB存储引擎的一个选项，允许每个表使用单独的表空间文件存储数据和索引。它提供了更灵活的管理、更好的性能和更高效的存储空间利用率

　　4.3 General Tablespaces

　　　　General Tablespaces（通用表空间）是MySQL 5.7版本引入的一个功能，在InnoDB存储引擎中提供了更灵活和更高级的表空间管理选项。

　　　　通用表空间允许将多个InnoDB表存储在一个或多个共享表空间文件中，而不是每个表都有自己的独立表空间文件（如File-Per-Table Tablespace中）。这些共享表空间文件可以在运行时动态添加或删除新的表。

　　　　通用表空间的优点包括：

• • 简化管理：使用通用表空间可以更方便地管理和维护多个表。可以将相关的表组织在同一个共享表空间中，便于备份、恢复和迁移。
  • 空间效率：通用表空间可以更有效地使用存储空间。多个表可以共享一个表空间文件，避免了为每个表都创建单独的表空间文件的开销。
  • 高性能：由于多个表共享表空间文件，可以提高磁盘IO操作的效率。此外，共享表空间可以利用预读机制（预读相邻页）来提高查询性能。

　　　　使用通用表空间时，可以在创建表时指定TABLESPACE子句来为表分配到指定的共享表空间，也可以使用ALTER TABLE语句将现有表移动到共享表空间中。

　　　　创建通用表空间示例：

mysql> create tablespace my_test add datafile "my_test.ibd" engine=InnoDB;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

　　　　

　　　　创建使用通用表空间的表示例：

mysql> create table tablespace_test(id int) tablespace my_test;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

　　　　说明1：此时MySQL就不会再给tablespace_test表创建单独的表空间了，而是使用通用表空间my_test.ibd空间

　　　　将现有表移动到通用表空间语法示例：

ALTER TABLE table_name TABLESPACE tablespace_name;

　　　　说明2：`table_name`是要移动的表的名称，`tablespace_name`是要移动到的表空间的名称。　　　　

　　　　删除通用表空间语法示例

ALTER TABLESPACE tablespace_name DROP DATAFILE '<path>/tablespace_file.ibd';

　　　　说明3：`tablespace_name`是要删除的表空间的名称，`<path>/tablespace_file.ibd`是要删除的表空间文件的路径和文件名。

　　4.4 undo Tablespace

　　　　在MySQL中，"undo tablespace"（撤销表空间）是用于存储撤销日志数据的一种特殊类型的表空间。

　　　　撤销日志是 MySQL 中的一项重要功能，用于回滚或撤销事务中所做的更改。当事务执行 UPDATE、DELETE 或 INSERT 操作时，撤销日志记录了被修改或删除的非聚集索引的旧值，以及 INSERT 操作插入的新记录。这些撤销日志记录存储在名为 "undo log" 的数据结构中。

　　　　为了高效地管理和存储撤销日志数据，MySQL引入了 "undo tablespace" 的概念。撤销表空间是一个独立于数据表空间的区域，用于存储撤销日志数据。它可以包含一个或多个文件，这些文件具有固定大小（通常是小于等于1GB）和特定的命名约定，默认的是undo_001和undo_002

　　　　

　　　　撤销表空间的主要作用有以下几个方面：

• • 提供事务的回滚能力：如果一个事务需要回滚，MySQL可以使用撤销表空间中的撤销日志来还原事务执行前的数据状态。
  • 支持并发事务：撤销表空间使得多个事务可以同时进行，并提供了事务隔离级别的支持。
  • 回收空间：当事务完成时，撤销表空间中的撤销日志可以被清除，空间可以被重复使用。

　　　　撤销表空间在MySQL的配置文件（my.cnf或my.ini）中通过innodb_undo_directory和innodb_undo_tablespaces配置项进行设置。innodb_undo_directory定义了撤销表空间文件的存储目录，而innodb_undo_tablespaces指定了要使用的撤销表空间文件的数量。

　　　　总结：撤销表空间是MySQL中用于存储撤销日志数据的表空间，支持事务的回滚、并发事务和空间回收。

　　4.5 Temporary Tablespace

　　　　在MySQL中，临时表空间（Temporary Tablespace）是用于存储临时表数据和临时结果集的一种特殊类型的表空间。临时表空间的作用是存储临时表的数据，这些临时表通常是在查询过程中创建的。这些临时表可能包括临时表名、中间结果集或者用于排序和聚合的临时数据。

　　　　默认情况下，MySQL使用系统表空间（system tablespace）来存储临时表数据。但是，在高并发环境下，使用单个系统表空间可能会导致性能瓶颈。为了提高性能并优化系统资源的使用，MySQL引入了临时表空间的概念。通过为临时表数据分配独立的临时表空间，MySQL可以更好地管理和优化临时表的创建和使用。临时表空间可以在独立的表空间文件中存储临时表数据，这些文件可以位于不同的存储设备上，从而分散了IO负载。

　　　　可以通过以下配置项来设置临时表空间：既可以写在MySQL配置文件中也可以在MySQL交互界面上使用set 指令设置

　　　　-`tmp_table_size`：用于设置每个临时表的内存大小。如果临时表大小超过此值，则会将其存储到临时表空间中。

　　　　-`max_heap_table_size`：用于设置只在内存中存储的临时表的最大大小。

　　　　-`tmpdir`：用于设置临时表空间的目录。

　　　　使用临时表空间可以提升查询性能，减少对系统表空间的负载，并提供更好的系统扩展性和可维护性。

　　　　总结：临时表空间是MySQL中用于存储临时表数据和临时结果集的表空间。它可以提高查询性能，并分散IO负载，提供更好的系统资源利用和扩展性。

　　4.6 Doublewrite Buffer Files

　　　　在MySQL中，Doublewrite Buffer Files（双写缓冲区文件）是一种用于提高数据保护和恢复机制的技术。Doublewrite Buffer Files使用了一种双写技术，先将数据写入到双写缓冲区文件，然后再写入到实际的数据文件。这可以减少数据损坏和页级别的IO不一致性的风险。双写缓冲区文件的主要作用是用于在MySQL崩溃或意外断电的情况下，保护InnoDB存储引擎使用的数据页的完整性。

　　　　当InnoDB存储引擎进行写操作时，会先将数据写入到双写缓冲区文件，然后通过后台线程将数据写入到磁盘上的实际数据文件。这样，在发生崩溃或断电时，双写缓冲区中的数据可以用来恢复数据文件的一致性。双写缓冲区文件在重启MySQL时会自动应用并删除。

　　　　双写缓冲区文件的大小由配置参数`innodb_doublewrite_buffer_size` 控制，默认值为`1MB`。可以通过在MySQL配置文件中设置该参数来修改双写缓冲区文件的大小。

　　　　使用双写缓冲区文件的一个潜在问题是会增加写操作的IO负载，因为每个写操作都需要写入两次。为了减少双写带来的性能影响，可以考虑将双写缓冲区文件放置在快速的存储介质上，如SSD。

　　　　总结：Doublewrite Buffer Files是一种用于提高数据保护和恢复机制的技术，通过在写入实际数据文件之前将数据先写入到双写缓冲区文件，来减少数据损坏和页级别的IO不一致性的风险。双写缓冲区文件的大小由配置参数控制，需要在MySQL配置文件中进行配置。

　　　　

　　4.7 Redo Log

　　　　在MySQL中，Redo Log（重做日志）是用于实现事务的持久性和恢复能力的关键组件之一。它记录了发生在数据库中的数据更改操作，以确保在系统崩溃或断电时，能够将未完成的事务重新应用到数据库中，以保持数据的一致性。

　　　　Redo Log是循环写入的，意味着当日志文件写满后，会重新从开头开始覆盖之前的日志。所有的修改操作都会先写入到Redo Log，然后异步地刷新到磁盘上的数据文件。这样即使在写操作还未刷新到磁盘上的数据文件时发生崩溃，通过Redo Log的回放可以重新执行未完成的事务，确保数据的持久性。

　　　　Redo Log是以逻辑方式记录的，而不是物理方式。它记录了事务引起的数据修改，而不是实际的数据变化。通过记录这些逻辑操作，MySQL可以在恢复时重新执行所需的操作。

　　　　在MySQL中，Redo Log由两个文件组成，通常为`ib_logfile0`和`ib_logfile1`。这些文件的大小由配置参数`innodb_log_file_size`控制，默认情况下为`48MB`。可以在MySQL配置文件中进行修改。

　　　　使用Redo Log的一个重要注意事项是，写入Redo Log会引起磁盘IO操作，因此对于事务密集型负载，合理调整Redo Log的大小和I/O性能是很重要的。过小的Redo Log可能导致频繁的刷新和IO延迟，而过大的Redo Log可能对内存和磁盘空间带来负担。

　　　　总结：Redo Log是MySQL中用于实现事务的持久性和恢复的关键组件，它记录了数据的修改操作，保证在系统崩溃或断电后，能够重新应用未完成的事务。Redo Log由两个文件组成，通过循环写入的方式记录数据修改。合理调整Redo Log的大小和I/O性能对于数据库性能和持久性是重要的。