無水乾貨：InnoDB底層原理

導讀	很多文章都是直接開始介紹有哪些儲存引擎，並沒有去介紹儲存引擎本身。那麼究竟什麼是儲存引擎?不知道大家有沒有想過，MySQL是如何儲存我們丟進去的資料的?

很多文章都是直接開始介紹有哪些儲存引擎，並沒有去介紹儲存引擎本身。那麼究竟什麼是儲存引擎?不知道大家有沒有想過，MySQL是如何儲存我們丟進去的資料的?

其實儲存引擎也很簡單，我認為就是一種儲存解決方案，實現了新增資料、更新資料和建立索引等等功能。

有哪些已有的儲存引擎可以讓我們選擇呢?

InnoDB、MyISAM、Memory、CSV、Archive、Blackhole、Merge、Federated、Example

種類很多，但是常用的儲存引擎目前就只有InnoDB和MyISAM，我也會著重來介紹這兩種儲存引擎。

InnoDB是目前使用最廣的MySQL儲存引擎，MySQL從5.5版本開始InnoDB就已經是預設的儲存引擎了。那你知道為什麼InnoDB被廣泛的使用呢?先把這個問題放一放，我們先來了解一下InnoDB儲存引擎的底層原理。

InnoDB的記憶體架構主要分為三大塊，緩衝池(Buffer Pool)、重做緩衝池(Redo Log Buffer)和額外記憶體池

InnoDB為了做資料的持久化，會將資料儲存到磁碟上。但是面對大量的請求時，CPU的處理速度和磁碟的IO速度之間差距太大，為了提高整體的效率， InnoDB引入了緩衝池。

當有請求來查詢資料時，如果快取池中沒有，就會去磁碟中查詢，將匹配到的資料放入快取池中。同樣的，如果有請求來修改資料，MySQL並不會直接去修改磁碟，而是會修改已經在緩衝池的頁中的資料，然後再將資料刷回磁碟，這就是緩衝池的作用，加速讀，加速寫，減少與磁碟的IO互動。

緩衝池說白了就是把磁碟中的資料丟到記憶體，那既然是記憶體就會存在沒有記憶體空間可以分配的情況。所以緩衝池採用了LRU演算法，在緩衝池中沒有空閒的頁時，來進行頁的淘汰。但是採用這種演算法會帶來一個問題叫做緩衝池汙染。

當你在進行批次掃描甚至全表掃描時，可能會將緩衝池中的熱點頁全部替換出去。這樣以來可能會導致MySQL的效能斷崖式下降。所以InnoDB對LRU做了一些最佳化，規避了這個問題。

MySQL採用日誌先行，在真正寫資料之前，會首先記錄一個日誌，叫Redo Log，會定期的使用CheckPoint技術將新的Redo Log刷入磁碟，這個後面會講。

除了資料之外，裡面還儲存了索引頁、Undo頁、插入緩衝、自適應雜湊索引、InnoDB鎖資訊和資料字典。下面選幾個比較重要的來簡單聊一聊。

插入緩衝針對的操作是更新或者插入，我們考慮最壞的情況，那就是需要更新的資料都不在緩衝池中。那麼此時會有下面兩種方案。

來一條資料就直接寫入磁碟
等資料達到某個閾值(例如50條)才批次的寫入磁碟
很明顯，第二種方案要好一點，減少了與磁碟IO的互動。

鑑於都聊到了插入緩衝，我就不得不需要提一嘴兩次寫，因為我認為這兩個InnoDB的特性是相輔相成的。

插入緩衝提高了MySQL的效能，而兩次寫則在此基礎上提高了資料的可靠性。我們知道，當資料還在緩衝池中的時候，當機器當機了，發生了寫失效，有Redo Log來進行恢復。但是如果是在從緩衝池中將資料刷回磁碟的時候當機了呢?

這種情況叫做部分寫失效，此時重做日誌就無法解決問題。

在刷髒頁時，並不是直接刷入磁碟，而是copy到記憶體中的Doublewrite Buffer中，然後再複製至磁碟共享表空間(你可以就理解為磁碟)中，每次寫入1M，等copy完成後，再將Doublewrite Buffer中的頁寫入磁碟檔案。

有了兩次寫機制，即使在刷髒頁時當機了，在例項恢復的時候也可以從共享表空間中找到Doublewrite Buffer的頁副本，直接將其覆蓋原來的資料頁即可。

自適應索引就跟JVM在執行過程中，會動態的把某些熱點程式碼編譯成Machine Code一樣，InnoDB會監控對所有索引的查詢，對熱點訪問的頁建立雜湊索引，以此來提升訪問速度。

你可能多次看到了一個關鍵字頁，接下來那我們就來聊一下頁是什麼?

頁，是InnoDB中資料管理的最小單位。當我們查詢資料時，其是以頁為單位，將磁碟中的資料載入到緩衝池中的。同理，更新資料也是以頁為單位，將我們對資料的修改刷回磁碟。每頁的預設大小為16k，每頁中包含了若干行的資料，頁的結構如下圖所示。

不用太糾結每個區是幹嘛的，我們只需要知道這樣設計的好處在哪兒。每一頁的資料，可以透過FileHeader中的上一下和下一頁的資料，頁與頁之間可以形成雙向連結串列。因為在實際的物理儲存上，資料並不是連續儲存的。你可以把他理解成G1的Region在記憶體中的分佈。

而一頁中所包含的行資料，行與行之間則形成了單向連結串列。我們存入的行資料最終會到User Records中，當然最初User Records並不佔據任何儲存空間。隨著我們存入的資料越來越多，User Records會越來越大，Free Space的空間會越來越小，直到被佔用完，就會申請新的資料頁。

User Records中的資料，是按照主鍵id來進行排序的，當我們按照主鍵來進行查詢時，會沿著這個單向連結串列一直往後找，

上面聊過，InnoDB中緩衝池中的頁資料更新會先於磁碟資料更新的，InnoDB也會採用日誌先行(Write Ahead Log)策略來重新整理資料，什麼意思呢?當事務開始時，會先記錄Redo Log到Redo Log Buffer中，然後再更新緩衝池頁資料。

Redo Log Buffer中的資料會按照一定的頻率寫到重做日誌中去。被更改過的頁就會被標記成髒頁，InnoDB會根據CheckPoint機制來將髒頁刷到磁碟。

上面提到了Redo log，這一小節就專門來講一講日誌，日誌分為如下兩個維度。

MySQL層面

InnoDB層面

MySQL的日誌可以分為錯誤日誌、二進位制檔案、查詢日誌和滿查詢日誌。

錯誤日誌 很好理解，就是服務執行過程中發生的嚴重錯誤日誌。當我們的資料庫無法啟動時，就可以來這裡看看具體不能啟動的原因是什麼
二進位制檔案 它有另外一個名字你應該熟悉，叫Binlog，其記錄了對資料庫所有的更改。
查詢日誌 記錄了來自客戶端的所有語句
慢查詢日誌 這裡記錄了所有響應時間超過閾值的SQL語句，這個閾值我們可以自己設定，引數為long_query_time，其預設值為10s，且預設是關閉的狀態，需要手動的開啟。

InnoDB日誌就只有兩種，Redo Log和Undo Log，

Redo Log 重做日誌，用於記錄事務操作的變化，且記錄的是修改之後的值。不管事務是否提交都會記錄下來。例如在更新資料時，會先將更新的記錄寫到Redo Log中，再更新快取中頁中的資料。然後按照設定的更新策略，將記憶體中的資料刷回磁碟。
Undo Log 記錄的是記錄的事務開始之前的一個版本，可用於事務失敗之後發生的回滾。
Redo Log記錄的是具體某個資料頁上的修改，只能在當前Server使用，而Binlog可以理解為可以給其他型別的儲存引擎使用。這也是Binlog的一個重要作用，那就是主從複製，另外一個作用是資料恢復。

上面提到過，Binlog中記錄了所有對資料庫的修改，其記錄日誌有三種格式。分別是Statement、Row和MixedLevel。

Statement 記錄所有會修改資料的SQL，其只會記錄SQL，並不需要記錄下這個SQL影響的所有行，減少了日誌量，提高了效能。但是由於只是記錄執行語句，不能保證在Slave節點上能夠正確執行，所以還需要額外的記錄一些上下文資訊
Row 只儲存被修改的記錄，與Statement只記錄執行SQL來比較，Row會產生大量的日誌。但是Row不用記錄上下文資訊了，只需要關注被改成啥樣就行。
MixedLevel 就是Statement和Row混合使用。
具體使用哪種日誌，需要根據實際情況來決定。例如一條UPDATE語句更新了很多的資料，採用Statement會更加節省空間，但是相對的，Row會更加的可靠。

由於MyISAM並不常用，我也不打算去深究其底層的一些原理和實現。我們在這裡簡單的對比一下這兩個儲存引擎的區別就好。我們分點來一點點描述。

事務 InnoDB支援事務、回滾、事務安全和奔潰恢復。而MyISAM不支援，但查詢的速度要比InnoDB更快
主鍵 InnoDB規定，如果沒有設定主鍵，就自動的生成一個6位元組的主鍵，而MyISAM允許沒有任何索引和主鍵的存在，索引就是行的地址
外來鍵 InnoDB支援外來鍵，而MyISAM不支援
表鎖 InnoDB支援行鎖和表鎖，而MyISAM只支援表鎖
全文索引 InnoDB不支援全文索引，但是可以用外掛來實現相應的功能，而MyISAM是本身就支援全本索引
行數 InnoDB獲取行數時，需要掃全表。而MyISAM儲存了當前表的總行數，直接讀取即可。
所以，簡單總結一下，MyISAM只適用於查詢大於更新的場景，如果你的系統查詢的情況佔絕大多數(例如報表系統)就可以使用MyISAM來儲存，除此之外，都建議使用InnoDB。

由於時間的原因，本文只是簡單的聊了聊InnoDB的整體架構，並沒有很深入的去聊某些點。例如InnoDB是如何改進來解決緩衝池汙染的，其演算法具體是什麼，checkpoint是如何工作的等等，只是做一個簡單的瞭解，之後如果有時間的話再細聊。

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