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从一个 update 语句开始,来看看 InnoDB 的底层架构原理

分类:    275人阅读    IT小君  2023-08-19 14:04
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上一篇文章讲到,应用程序通过数据库连接池将请求发送给 MySQL,一条普通的 select 语句,要经过连接器、查询缓存、分析器、优化器。生成执行计划后,通过执行器调用存储引擎的接口,由存储引擎来处理数据。

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MySQL 是支持多种存储引擎的,比如说 MyISAM、InnoDB、Memory 等,你可以用 show storage engines; 来查看在用的 MySQL 支持哪些存储引擎。

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在 InnoDB 之前,默认的存储引擎是 MyISAM,在 MySQL5.5 之后就改成了 InnoDB 了,可以说平时工作中 95% 的场景下使用的都是 InnoDB 存储引擎。为什么会用 InnoDB 来替换 MyISAM 呢?一个很重要的原因就是 InnoDB 支持事务,而 MyISAM 不支持。

本文就来看看 InnoDB 的底层架构到底是怎么样的,为什么要这样架构。




现在有这样一个 SQL 语句 update user set name='zhangsan' where id = 11; ,执行的流程和上篇文章中提到的 selelct 一样,最终由执行器来调用 InnoDB 存储引擎的接口。

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Buffer Pool:MySQL 的数据存在哪里?


不知道你有没有看过 MySQL 中的数据在电脑上是怎么保存的?我们平时创建的表,其实有一个表空间的概念,在磁盘上就对应「表明.ibd」这样一个磁盘文件。你可以用 show variables like 'datadir'; 这个命令看看存储数据的目录在哪里,就能看到这些 .ibd 文件了。

那数据存在磁盘上,每次执行增删改查操作的时候都直接修改磁盘上的文件么?显然不应该这样。对磁盘上随机读写操作是非常耗时的,每次修改一行数据就改磁盘文件,MySQL 的执行效率会非常低下。

MySQL 为了避免频繁对磁盘做随机读写操作,引入了一个内存组件 Buffer Pool。当我们执行update user set name='zhangsan' where id = 11;的时候,它会先把数据从磁盘加载到 Buffer Pool 中,再对 Buffer Pool 中的数据进行修改。

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undo log:为什么事务能回滚?


事务是可以回滚和提交的,对应 rollback 和 commit 操作。那事务是怎么回滚的呢?

执行update user set name='zhangsan' where id = 11;操作,现在 id = 11 的这条数据已经被加载到 Buffer Pool 里面了,比如说此时 name = lisi。执行 update 操作就会修改 Buffer Pool 里的数据把它修改成 zhangsan。

什么叫回滚,回滚就是要把它改成最开始的值。我把 Buffer Pool 中的数据从 lisi 改成了 zhangsan,现在要回滚成 lisi 要怎么办?Buffer Pool 中的数据已经被覆盖了,那是不是只能从磁盘文件中,再把 id = 11 这条数据读出来?

这个时候 undo log 就派上用场了。MySQL 会在你更新数据之前,先把这行数据写到 undo log 里面,再修改 Buffer Pool 中的数据。这样一来,需要回滚就可以从 undo log 里面记录的旧值给读出来了。

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更新 Buffer Pool 会产生脏数据


把 Buffer Pool 中旧的数据写到 undo log 之后,就具有回滚的能力。接着就要执行 update 操作了,就是把 Buffer Pool 中的数据改成 zhangsan。改了 Buffer Pool 中的数据,这里的数据就变成了脏数据

什么叫脏数据呢?MySQL 中的数据最终是要落在磁盘中的,Buffer Pool 是一个内存组件,其中的数据都是在内存中的。当我们修改 Buffer Pool 的数据之后,Buffer Pool 里的数据,就和磁盘文件中的数据不一样了。和磁盘文件中不一样的数据,就被叫做脏数据。

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redo log:回滚日志,宕机也不怕数据丢失


到目前为止,整个 update 操作都是围绕 Buffer Pool 来进行的,更新之后的数据也没有写入到磁盘中。这个时候 MySQL 宕机会发生什么?宕机之后内存中的数据就会丢失!我们刚刚更新完的数据就这么丢了,这个肯定是不允许的。

redo log 是 InnoDB 提供的另一种日志,对 Buffer Pool 中的数据执行完更新操作之后,要把这个更新操作写入到 redo log buffer 中。

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redo log Buffer 其实也在内存中,还需要进一步将其写入到 redo log 日志中。redo log Buffer 将日志刷入到 redo log 有这样 3 种策略,用 innodb_flush_log_at_trx_commit 这个参数来控制:
  • 0 提交事务,不会将 redo log buffer 的数据输入磁盘

  • 1 提交事务,保证会将 redo log buffer 的数据输入磁盘

  • 2 提交事务,会将 redo log buffer 的数据先输入到 os cache

这里建议将参数设置为 1,它表示我只要把日志写到 redo log Buffer,它就立即会把日志写入到 redo log。

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为什么要这么做呢?很简单,我保证把更新操作写到 redo log 日志里面,当 MySQL 宕机的时候,内存中的数据丢了,但我任然保有 redo log,可以通过 redo log 日志来恢复数据,

bin log:归档日志


前面讲了 redo log 重做日志,它是偏物理性质的日志,InnoDB 特有的日志。这里要讲 bin log 归档日志,偏逻辑性质,是 MySQL Server 的日志。在提交事务的时候,不仅会写 redo log,还会写 bin log。

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写 bin log 和 redo log Buffer 刷盘一样,有两个参数,通过 sync_binlog 来配置:
  • 0 提交事务,先将 bin log 数据写入到 os cache 中,由 os cache 机制自己刷盘

  • 1 提交事务,保证将 bin log 数据输入到 bin log 中


写入 redo log 和 bin log 之后,会将本次更新对应的 binlog 文件名称和地址,都写入到 redo log 中,同时在 redo log 里面加上一个 commit 标记。这样一个事务才算是真正提交了。

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异步刷盘


现在有了 undo log 可以回滚,写入了 redo log、bin log 提交事务,提交了事务之后,即使 MySQL 宕机数据也不会丢失。最后还有一个问题没有解决,之前提到的 Buffer Pool 中的脏数据要怎么处理?

实际上 MySQL 会开启一个后台线程,线程会在 MySQL 空闲的时候,不断读取 Buffer Pool 中的脏数据刷回到磁盘中。

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思考题:刷盘的时候怎么知道哪些是脏数据?


本文用一个update user set name='zhangsan' where id = 11;语句介绍了 InnoDB 的底层架构:
  1. 首先会将磁盘中的数据加载到 Buffer Pool

  2. 为了能够提高回滚的效率,会将旧的数据记录在 undo log 中

  3. 事务提交的时候要写入到 redo log、bin log,这样即使 MySQL 宕机也能恢复数据

  4. 更新 Buffer Pool 之后会产生脏数据,后台线程会在 MySQL 空闲的时候将数据刷回到磁盘中


最后提一个思考题:怎么知道 Buffer Pool 中的数据就是脏数据了?Buffer Pool 中的脏数据这么多,哪些应该先输入到磁盘中呢?Buffer Pool 满了又该怎么办?

如果你不知道怎么回答这些问题,也不打紧。这些关于 Buffer Pool 的问题,会在后面详细介绍 Buffer Pool 的时候把坑填上。


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