MySQL数据存储

MySQL体系架构

1. 客户端连接器

提供与MySQL服务器建立的支持。目前几乎支持所有主流的服务端编程技术，例如常见的 Java、C、Python、.NET等，它们通过各自API技术与MySQL建立连接

1. 连接池

负责存储和管理客户端与数据库的连接，一个线程负责管理一个连接。

1. 系统管理和控制工具

例如备份恢复、安全管理、集群管理等

1. SQL接口

用于接受客户端发送的各种SQL命令，并返回用户需要查询的结果。比如DML、DDL、存储过程、视图、触发器等。

1. 解析器

负责将请求的SQL解析生成一个“解析树”。然后根据一些MySQL规则进一步检查解析树是否合法。

1. 查询优化器

当“解析树”通过解析器语法检查后，将交由优化器将其转为执行计划，然后与存储引擎交互

1. 缓存

缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存，记录缓存，权限缓存，引擎缓存等。如果查询缓存有命中的查询结果，查询语句就可以直接去查询缓存中取数据

1. 存储引擎

存储引擎负责MySQL中数据的存储和提取，与底层系统文件进行交互。MySQL存储引擎是插件式的，服务器中的查询执行引擎通过接口与存储引擎进行通信，接口屏蔽了不同存储引擎之间的差异。现在有很多存储引擎，各有各的特点，最常见的是MyISAM和InnoDB。

1. 系统文件

该层负责将数据库的数据和日志存储在文件系统之上，并完成与存储引擎的交互，是文件的物理存储层。主要包含日志文件、数据文件、配置文件、pid文件、socket文件等。

MySQL运行机制

1. 建立连接，MySQL客户端与服务端的通信方式是半双工。

全双工：能够同时发送和接收数据。例如平时打电话

半双工：指的某一时刻，要么发送数据，要么接收数据，不能同时。例如早期对讲机

单工：只能发送数据或只能接收数据。例如单行道

1. 查询缓存，如果开启了查询缓存并且在查询缓存过程中查询到完全相同的SQL语句，则将查询结果直接返回客户端

2. 解析器，解析器将客户端发送的SQL进行语法解析，生成“解析树”。预处理器根据一些MySQL规则进一步检查“解析树”是否合法，例如这里将检查数据表和数据列是否存在，还会解析名字和别名，看看它们是否有歧义，最后生成新的“解析树”。

3. 查询优化器，根据“解析树”生成最优的执行计划。MySQL试用很多优化策略生成最优的执行计划，可以分为两类：静态优化（编译时优化）、动态优化（运行时优化）

• 等级变换策略
  • a < b and a = 5 改为 b>5 and a=5
  • 基于联合索引，调整条件位置等
• 优化count、max、min等函数
  • innoDB引擎min函数只需要找索引最左边，max找索引最右边。
  • MyISAM引擎count(*)不需要计算，直接返回
• 提前终止查询，使用了limit查询，获取到所需的数据就返回
• in的优化，MySQL对in的查询，会先进行排序，再采用二分法查找数据

1. 查询引擎，查询引擎负责执行SQL语句，此时查询执行引擎会根据 SQL 语句中表的存储引擎类型，以及对应的API接口与底层存储引擎缓存或者物理文件的交互，得到查询结果并返回给客户端。若开启用查询缓存，这时会将SQL语句和结果完整地保存到查询缓存（Cache&Buffer）中，以后若有相同的 SQL语句执行则直接返回结果。

• 如果开启了查询缓存，先将查询结果做缓存操作
• 返回结果过多，采用增量模式返回

MySQL存储引擎

存储引擎负责MySQL中的数据的存储和提取，是与文件打交道的子系统，它是根据MySQL提供的文件访问层抽象接口定制的一种文件访问机制，这种机制叫做存储引擎。

通过SHOW ENGINES命令，可以查看当前数据库支持的引擎信息。

在5.5版本之前默认采用MyISAM存储引擎，从5.5开始采用InnoDB存储引擎。

• InnoDB：支持事务，具有提交，回滚和崩溃恢复能力，事务安全
• MyISAM：不支持事务和外键，访问速度快
• Memory：利用内存创建表，访问速度非常快，因为数据在内存，而且默认使用Hash索引，但是一旦关闭，数据就会丢失
• Archive：归档类型引擎，仅能支持insert和select语句
• Csv：以CSV文件进行数据存储，由于文件限制，所有列必须强制指定not null，另外CSV引擎也不支持索引和分区，适合做数据交换的中间表
• BlackHole: 黑洞，只进不出，进来消失，所有插入数据都不会保存
• Federated：可以访问远端MySQL数据库中的表。一个本地表，不保存数据，访问远程表内容。
• MRG_MyISAM：一组MyISAM表的组合，这些MyISAM表必须结构相同，Merge表本身没有数据，对Merge操作可以对一组MyISAM表进行操作。

InnoDB和MyISAM对比

• 事务和外键

InnoDB支持事务和外键，具有安全性和完整性，适合大量insert或update操作

MyISAM不支持事务和外键，它提供高速存储和检索，适合大量的select查询操作

• 锁机制

InnoDB支持行级锁，锁定指定记录。基于索引来加锁实现

MyISAM支持表级锁，锁定整张表

• 索引结构

InnoDB主键使用了聚集索引，索引和记录在一起存储，既缓存索引，也缓存记录。

MyISAM使用非聚集索引，索引和记录分开，有单独的数据文件

• 并发处理能力

MyISAM使用表锁，写操作并发低

InnoDB读写阻塞可以与隔离级别有关，可以采用MVCC（多版本并发控制）来支持高并发

• 存储文件

InnoDB表对应两个文件，一个.frm表结构文件，一个.ibd数据文件。InnoDB最大支持64TB；

MyISAM表对应三个文件，一个.frm表结构文件，一个MYD表数据文件，一个.MYI索引文件。从MySQL5.0开始默认限制是256TB

InnoDB存储结构

下面是InnoDB引擎架构图，主要分为++内存结构++和++磁盘结构++两大部分。

内存结构

内存结构主要包括Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index和Log Buffer四大组件。

1. Buffer Pool：缓冲池，简称BP。BP以Page页为单位，默认大小16K，BP的底层采用链表数据结构管理Page。在InnoDB访问表记录和索引时会在Page页中缓存，以后使用可以减少磁盘IO操作，提升效率。

• Page管理机制，Page根据状态可以分为三种类型：

  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，页中数据和磁盘的数据产生了不一致

针对上述三种page类型，InnoDB通过三种链表结构来维护和管理

free list ：表示空闲缓冲区，管理free page
flush list：表示需要刷新到磁盘的缓冲区，管理dirty page，内部page按修改时间排序。脏页既存在于flush链表，也在LRU链表中，但是两种互不影响，LRU链表负责管理page的可用性和释放，而flush链表负责管理脏页的刷盘操作。
lru list：表示正在使用的缓冲区，管理clean page和dirty page，缓冲区以midpoint为基点，前面链表称为new列表区，存放经常访问的数据，占63%；后面的链表称为old列表区，存放使用较少数据，占37%。

• 改进型LRU算法维护

  普通LRU：末尾淘汰法，新数据从链表头部加入，释放空间时从末尾淘汰
  
  改性LRU：链表分为new和old两个部分，加入元素时并不是从表头插入，而是从中间midpoint位置插入，如果数据很快被访问，那么page就会向new列表头部移动，如果数据没有被访问，会逐步向old尾部移动，等待淘汰。每当有新的page数据读取到buffer pool时，InnoDb引擎会判断是否有空闲页，是否足够，如果有就将free page从free list列表删除，放入到LRU列表中。没有空闲页，就会根据LRU算法淘汰LRU链表默认的页，将内存空间释放分配给新的页。

• Buffer Pool配置参数

  show variables like '%innodb_page_size%'; //查看page页大小
  
  show variables like '%innodb_old%'; //查看lru list中old列表参数
  
  show variables like '%innodb_buffer%'; //查看buffer pool参数
  
  建议：将innodb_buffer_pool_size设置为总内存大小的60%-80%，
  
  innodb_buffer_pool_instances可以设置为多个，这样可以避免缓存争夺。

1. Change Buffer：写缓冲区，简称CB。在进行DML操作时，如果BP没有其相应的Page数据，并不会立刻将磁盘页加载到缓冲池，而是在CB记录缓冲变更，等未来数据被读取时，再将数据合并恢复到BP中。

ChangeBuffer占用BufferPool空间，默认占25%，最大允许占50%，可以根据读写业务量来进行调整。参数innodb_change_buffer_max_size;

3. Adaptive Hash Index：自适应哈希索引，用于优化对BP数据的查询。InnoDB存储引擎会监控对表索引的查找，如果观察到建立哈希索引可以带来速度的提升，则建立哈希索引，所以称之为自适应。InnoDB存储引擎会自动根据访问的频率和模式来为某些页建立哈希索引。

4. Log Buffer：日志缓冲区，用来保存要写入磁盘上log文件（Redo/Undo）的数据，日志缓冲区的内容定期刷新到磁盘log文件中。日志缓冲区满时会自动将其刷新到磁盘，当遇到BLOB或多行更新的大事务操作时，增加日志缓冲区可以节省磁盘I/O。

LogBuffer主要是用于记录InnoDB引擎日志，在DML操作时会产生Redo和Undo日志。

磁盘结构

InnoDB磁盘主要包含Tablespaces，InnoDB Data Dictionary，Doublewrite Buffer、Redo Log和Undo Logs

• 表空间（Tablespaces）：用于存储表结构和数据。表空间又分为系统表空间、独立表空间、通用表空间、临时表空间、Undo表空间等多种类型；

• 数据字典（InnoDB Data Dictionary）

InnoDB数据字典由内部系统表组成，这些表包含用于查找表、索引和表字段等对象的元数据。元数据物理上位于InnoDB系统表空间中。由于历史原因，数据字典元数据在一定程度上与InnoDB表元数据文件（.frm文件）中存储的信息重叠

• 双写缓冲区（Doublewrite Buffer）

位于系统表空间，是一个存储区域。在BufferPage的page页刷新到磁盘真正的位置前，会先将数据存在Doublewrite缓冲区。如果在page页写入过程中出现操作系统、存储子系统或mysqld进程崩溃，InnoDB可以在崩溃恢复期间从Doublewrite 缓冲区中找到页面的一个好备份。在大多数情况下，默认情况下启用双写缓冲区，要禁用Doublewrite缓冲区，可以将innodb_doublewrite设置为0。使用Doublewrite缓冲区时建议将innodb_flush_method设置为O_DIRECT

MySQL的innodb_flush_method这个参数控制着innodb数据文件及redo log的打开、刷写模式。有三个值：fdatasync(默认)，O_DSYNC，O_DIRECT。设置O_DIRECT表示数据文件写入操作会通知操作系统不要缓存数据，也不要用预读，直接从Innodb Buffer写到磁盘文件。

• 重做日志（Redo Log）

重做日志是一种基于磁盘的数据结构，用于在崩溃恢复期间更正不完整事务写入的数据。

MySQL以循环方式写入重做日志文件，记录InnoDB中所有对Buffer Pool修改的日志。当出现实例故障（像断电），导致数据未能更新到数据文件，则数据库重启时根据Redo Log重新把数据更新到数据文件。读写事务在执行的过程中，都会不断的产生redo log。默认情况下，重做日志在磁盘上由两个名为ib_logfile0和ib_logfile1的文件物理表示

• 撤销日志（Undo Log）

撤消日志是在事务开始之前保存的被修改数据的备份，用于例外情况时回滚事务。撤消日志属于逻辑日志，根据每行记录进行记录。撤消日志存在于系统表空间、撤消表空间和临时表空间中。

InnoDB线程模型

• Master Thread

Master Thread是InnoDB的主线程，负责调度其他线程，优先级最高。作用是将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘，保证数据的一致性。包含：脏页的刷新（page cleaner thread）、undo页回收（purge thread）、redo日志刷新（log thread）、合并写缓冲等。

• IO Thread

在InnoDB中使用了大量的AIO来做读写处理，这样可以极大提高数据库的性能。一共10个线程。

- read thread ： 负责读取操作，将数据从磁盘加载到缓存page页。4个
- write thread：负责写操作，将缓存脏页刷新到磁盘。4个
- log thread：负责将日志缓冲区内容刷新到磁盘。1个
- insert buffer thread ：负责将写缓冲内容刷新到磁盘。1个

• Purge Thread

事务提交之后，其使用的undo日志将不再需要，因此需要Purge Thread回收已经分配的undo页。

• Page Cleaner Thread

作用是将脏数据刷新到磁盘，脏数据刷盘后相应的redo log也就可以覆盖，即可以同步数据，又能达到redo log循环使用的目的。会调用write thread线程处理。

InnoDB数据文件

InnoDB数据文件存储结构分为一个ibd数据文件-->Segment(段)-->Extent（区）-->Page(页)-->Row(行)

• Tablesapce

表空间，用于存储多个ibd数据文件，用于存储表的记录和索引。一个文件包含多个段。

• Segment

段，用于管理多个Extent，分为数据段、索引段、回滚段。一个表至少有两个segment，一个管理索引，一个管理数据。

• Extent

区，一个区固定包含64个连续的页，大小为1M。当表空间不足，需要分配新的页资源，不会一页页的分，直接分配一个区

• Page

页，用于存储多个Row行记录，大小为16K。包含很多种页类型，比如数据页、undo页、系统页、事务数据页、大的BLOB对象页。

• Row

行，包含了记录的字段值、事务ID、回滚指针、字段指针等信息。

Undo Log、Redo Log和Binlog

1. Undo Log（撤销日志）

数据库事务开始前，会将要修改的记录放到Undo日志里，当事务要回滚或数据库崩溃时，撤销对未提交的事务对数据库产生的影响。

Undo Log产生和销毁：Undo Log在事务开始前产生；事务在提交时，并不会立刻删除Undo log，innodb会将该事务对应的Undo log放入到删除列表中，后面会通过后台线程purge thread进行回收处理。Undo Log属于逻辑日志，记录一个变化过程。例如执行一个delete，undolog会记录一个insert；执行一个update，undolog会记录一个相反的update。

show variables like '%innodb_undo%';

Undo Log的作用：

• 实现事务的原子性。事务处理中，如果出现了错误或用户执行了Roll Back语句，MySQL可以利用Undo Log中的备份将数据恢复到事务开始前的状态
• 实现多版本并发控制（MVCC）

1. Redo Log（重做日志）

事务中修改的任何数据，将最新的数据备份存储到Redo Log里。Redo Log 是为了实现事务的持久性而出现的产物。防止在发生故障的时间点，尚有脏页未写入表的IBD文件中，在重启MySQL服务的时候，根据 Redo Log进行重做，将未入磁盘数据进行持久化。

Redo Log 的生成和释放：随着事务操作的执行，就会生成Redo Log，在事务提交时会将产生Redo Log写入Log Buffer，并不是随着事务的提交就立刻写入磁盘文件。等事务操作的脏页写入到磁盘之后，Redo Log 的使命也就完成了，Redo Log占用的空间就可以重用（被覆盖写入）

Redo Buffer 持久化到 Redo Log 的策略，可通过Innodb_flush_log_at_trx_commit 设置：

• 0：每秒提交 Redo buffer ->OS cache -> flush cache to disk，可能丢失一秒内的事务数据。由后台Master线程每隔1秒执行一次操作。
• 1（默认值）：每次事务提交执行 Redo Buffer -> OS cache -> flush cache to disk，最安全，性能最差的方式。
• 2：每次事务提交执行 Redo Buffer -> OS cache，然后由后台Master线程再每隔1秒执行OS cache -> flush cache to disk的操作。

一般建议选择取值2，因为 MySQL挂了数据没有损失，整个服务器挂了才会损失1秒的事务提交数据。

3. Binlog（Binary log（二进制日志））

BinLog和上面的两种日志不同，他说属于Mysql Server的日志，不是InnoDb引擎特有的。Binlog是记录所有数据库表结构变更以及表数据修改的二进制日志。不会记录select这类操作。Binlog日志是以事件形式记录，还包含语句所执行的消耗时间。开启Binlog日志有以下两个最重要的使用场景。

• 主从复制：在主库中开启Binlog功能，这样主库就可以把Binlog传递给从库，从库拿到Binlog后实现数据恢复达到主从数据一致性。
• 数据恢复：通过mysqlbinlog工具来恢复数据。

Binlog文件名默认为“主机名_binlog-序列号”格式，例如oak_binlog-000001，也可以在配置文件中指定名称。文件记录模式有STATEMENT、ROW和MIXED三种，具体含义如下：

• ROW（row-based replication,RBR）：日志中会记录每一行数据被修改的情况，然后在slave端对相同的数据进行修改。
  • 优点：能清楚记录每一个数据的修改细节，实现主从完全的同步和数据恢复
  • 批量的操作会产生大量日志，如：alter table
• STATMENT（statement-based replication,SBR）：每一条被修改数据的SQL都会记录到master的Binlog中，slave在复制的时候SQL进程会解析成和原来master端执行过的相同的SQL再次执行。简称SQL语句复制
  • 优点：日志量少，减少磁盘IO
  • 缺点：在某些情况下会导致主从数据不一致，如last_insert_id()、now()等函数的执行。
• MIXED（mixed-based replication,MBR）：以上两种模式的混合使用，一般会使用STATEMENT模式保存Binlog，对于STATEMENT模式无法复制的操作使用ROW模式保存Binlog，MySQL会根据执行的SQL语句选择写入模式。

Binlog文件操作命令

• Binlog状态查看

SHOW VARIABLES LIKE 'log_bin';

• 开启Binlog

需要修改my.cnf或my.ini配置文件，在[mysqld]下面增加log_bin=mysql_bin_log，重启MySQL服务。

• 使用show binlog events命令

show binary logs; //等价于show master logs;
show master status;
show binlog events;
show binlog events in 'mysqlbinlog.000001';

• mysqlbinlog命令

mysqlbinlog "文件名"
mysqlbinlog "文件名" > "test.sql"

• binlog数据恢复

mysqldump：定期全部备份数据库数据。mysqlbinlog可以做增量备份和恢复操作。

//按指定时间恢复
mysqlbinlog --start-datetime="2020-04-25 18:00:00" --stop-
datetime="2020-04-26 00:00:00" mysqlbinlog.000002 | mysql -uroot -p1234
//按事件位置号恢复
mysqlbinlog --start-position=154 --stop-position=957 mysqlbinlog.000002
| mysql -uroot -p1234

• 删除binlog文件

purge binary logs to 'mysqlbinlog.000001'; //删除指定文件
purge binary logs before '2020-04-28 00:00:00'; //删除指定时间之前的文件
reset master; //清除所有文件

可以通过设置expire_logs_days参数来启动自动清理功能。默认值为0表示没启用。设置为1表示超出1天binlog文件会自动删除掉。

Redo Log和Binlog的区别

• Redo Log是属于InnoDB引擎的；Binlog属于MySQL Server自带的功能
• Redo Log属于物理日志，记录的是“在某个数据页上做了什么修改”；Binlog是记录的这个语句的原始逻辑，比如“给某个行的某字段+1”
• Redo Log是日志循环写，日志空间大小是固定的；Binlog是追加写入，不会覆盖使用
• Redo Log作为服务器异常宕机后事务数据自动恢复使用；Binlog可以作为主从复制和数据恢复使用。