深入探究Mysql InnoDB引擎架构

逻辑存储结构

InnoDB的逻辑存储结构如下图所示:

 1). 表空间是InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层， 如果用户启用了参数      innodb_file_per_table(在 8.0版本中默认开启) ，则每张表都会有一个表空间（xxx.ibd），一个mysql实例可以对应多个表空间，用于存储记录、索引等数据。

2).  段，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）。

3).  区，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。

4).  页，是InnoDB 存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认为 16KB。为了保证页的连续性， InnoDB 存储引擎每次从磁盘申请 4-5 个区。

5).  行，InnoDB 存储引擎数据是按行进行存放的。

 在行中，默认有两个隐藏字段：

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trx_id隐藏列。 Roll_pointer：每次对某条引记录进行改动时，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，可以通过它来找到该记录修改前的信息。

 架构概述

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，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构。

 内存结构

在左侧的内存结构中，主要分为这么四大块儿： Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index、Log Buffer。 接下来介绍一下这四个部分。

Buffer Pool 缓冲池

InnoDB存储引擎基于磁盘文件存储，访问物理硬盘和在内存中进行访问，速度相差很大，为了尽可能弥补这两者之间的I/O效率的差值，就需要把经常使用的数据加载到缓冲池中，避免每次访问都进行磁 盘I/O。 在InnoDB的缓冲池中不仅缓存了索引页和数据页，还包含了undo页、插入缓存、自适应哈希索引以及 InnoDB的锁信息等等。

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，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，也中数据与磁盘的数据产生了不一致。

 在专用服务器上，通常将多达80％的物理内存分配给缓冲池，参数查看show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

 Change Buffer 更改缓冲区

Change Buffer，更改缓冲区（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，在未来数据被读取时，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。即数据在BufferPoo 中不存在，不专门为修改去进行10提作，而是等待下次查询这个数据时顺便去发起IO操作改数据，呈现崭新的数据给用户，有用于合并IO请求，减少磁盘IO

Adaptive Hash Index 自适应哈希索引

自适应哈希索引，无需人工干预，是系统根据情况自动完成，跟查询时走不走索引类似的，都是由系统自动完成

自适应hash索引，用于优化对Buffer Pool数据的查询。MySQL的innoDB引擎中虽然没有直接支持hash索引，但是给我们提供了一个功能就是这个自适应hash索引。因为前面我们讲到过，hash索引在进行等值匹配时，一般性能是要高于B+树的，因为hash索引一般只需要一次IO即可，而B+树，可能需要几次匹配，所以hash索引的效率要高，但是hash索引又不适合做范围查询、模糊匹配等。 InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到在特定的条件下hash索引可以提升速度， 则建立hash索引，称之为自适应hash索引。

 Log Buffer 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日志数据（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以节省磁盘 I/O。

参数:

innodb_log_buffer_size：缓冲区大小

innodb_flush_log_at_trx_commit：日志刷新到磁盘时机，取值主要包含以下三个：

        1: 日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘，默认值。

        0: 每秒将日志写入并刷新到磁盘一次。

        2: 日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次。

 磁盘结构

 System Tablespace 系统表空间

系统表空间是更改缓冲区的存储区域。如果表是在系统表空间而不是每个表文件或通用表空间中创建的，它也可能包含表和索引数据。(在MySQL5.x版本中还包含InnoDB数据字典、undolog等)

 查看系统表空间的参数：innodb_data_file_path，系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。

File-Per-Table Tablespaces  文件表空间

如果开启了innodb_file_per_table开关 ，则每个表的文件表空间包含单个InnoDB表的数据和索 引 ，并存储在文件系统上的单个数据文件中。

开关参数：innodb_file_per_table ，该参数默认开启。

 那也就是说，我们每创建一个表，都会产生一个表空间文件，如图：

General Tablespaces 通用表空间

通用表空间，需要通过 CREATE TABLESPACE 语法创建通用表空间，在创建表时，可以指定该表空间。

创建表空间

CREATE TABLESPACE ts_name ADD DATAFILE 'file_name' ENGINE = engine_name;

 创建表时指定表空间

CREATE TABLE xxx … TABLESPACE ts_name;

 Undo Tablespaces 撤销表空间

撤销表空间，MySQL实例在初始化时会自动创建两个默认的undo表空间（初始大小16M），用于存储undo log日志。

 Temporary Tablespaces 临时表空间

InnoDB 使用会话临时表空间和全局临时表空间。存储用户创建的临时表等数据。

Doublewrite Buffer Files  双写缓冲区

双写缓冲区，innoDB引擎将数据页从Buffer Pool刷新到磁盘前，先将数据页写入双写缓冲区文件 中，便于系统异常时恢复数据。

 Redo Log 重做日志

重做日志，是用来实现事务的持久性。该日志文件由两部分组成：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。当事务提交之后会把所有修改信息都会存到该日志中, 用于在刷新脏页到磁盘时,发生错误时, 进行数据恢复使用。 

以循环方式写入重做日志文件，涉及两个文件： 

后台线程 

内存中我们所更新的数据，由后台线程负责在合适的时候刷新到磁盘，在InnoDB的后台线程中，分为4类，分别是：Master Thread 、IO Thread、Purge Thread、 Page Cleaner Thread。

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 。

 IO Thread

在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO(异步非阻塞IO，效率高)来处理IO请求, 这样可以极大地提高数据库的性能，而IO Thread主要负责这些IO请求的回调。

Purge Thread 

主要用于回收事务已经提交了的undo log，在事务提交之后，undo log可能不用了，就用它来回 收。

Page Cleaner Thread

协助 Master Thread 刷新脏页到磁盘的线程，它可以减轻 Master Thread 的工作压力，减少阻 塞。