InnoDB存储引擎

逻辑存储结构

介绍

• 表空间：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。
• 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）。
• 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。
• 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。
• 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（与MVCC相关）：

• 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。

Buffer Pool：

• 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 Buffer Pool，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，加快处理速度。

• 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，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。

• 查看缓冲池大小：show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

Change Buffer：

• Change Buffer，更改缓冲区（针对于非唯一的二级索引页），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。
• 与聚集索引不同，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 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 ChangeBuffer之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘IO。

Adaptive Hash Index：

• 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。

• 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。

• 自适应哈希索引，无需人工干预，是系统根据情况自动完成。可以通过：show variables like 'adaptive_hash_index'; 查看开启情况。

Log Buffer：

• 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。
• 缓冲区大小：innodb_log_buffer_size
• 日志刷新到磁盘时机：innodb_flush_log_at_trx_commit
  • 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。
• 参数：innodb_data_file_path，系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。

File-Per-Table Tablespaces：

• 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。
• 默认开启状态，每创建一个表，都会产生一个表空间文件。

General Tablespaces：

• 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，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：

• 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，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。
• 为MySQL数据目录下的两个 xxx.dblwr文件。

Redo Log：

• 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）：在内存中
  • 重做日志文件（redo log）：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：ib_logfile0 和 ib_logfile1。

后台线程

内存中我们所更新的数据，是通过后台线程刷新太磁盘中。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。

线程类型	默认个数	职责
Read thread	4	负责读操作
Write thread	4	负责读操作
Log thread	1	负责将日志缓冲区刷新到磁盘
Insert buffer thread	1	负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

• 查看到InnoDB的状态信息，其中就包含IO Thread信息：show engine innodb status \G;

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。

总结

• 逻辑存储结构：表空间、段、区、页、行
• 架构：内存结构、磁盘结构、后台线程