mysql学习笔记-底层原理详解

前言

我相信每一个程序员都避免不了和数据库打交道，其中Mysql以其轻量、开源成为当下最流行的关系型数据库。Mysql5.0以前以MyISAM作为默认存储引擎，在5.5版本以后，以InnoDB作为默认存储引擎，相比MyISAM，InnoDB完整的支持ACID事务特性,同时支持行级锁，支持事务这一特性也决定了InnoDB代替MyISAM成为主流存储引擎的一大决定性因素。

Mysql系统架构图

mysql整体包含四大部分：

连接层：包含各种组件和连接交互接口(Connectors:各种语言可以操控SQL的基础，支持各种语言)
核心层：也被称作SQL Laye,包括安全、权限、sql解析、缓存、执行优化。我们常用的视图、存储过程、触发器等功能的实现也集中在这一层
存储引擎层：也被称为Storage Engine Layer，由多种存储引擎共同组成，负责存储和获取数据。服务器是通过存储引擎API来与它们交互的。MySQL中的存储引擎可以实现插件式管理，它提供了一系列标准的管理和服务支持。
系统层：实际存储一些数据库文件以及日志文件等

连接层主要是一些操作sql的组件，例如Java中的JDBC(后面会有博客专门分享它)、系统层则是一些系统保存下的数据库物理文件，本文不做重点介绍，下面着重介绍下核心层和系统层

Sql执行流程图

连接层

如上图(Sql执行流程)所示，我们Sql执行首先是客户端向MySQL服务器发送一条查询请求，与connectors交互，连接池认证相关处理。

• 半双工通信：Mysql客户端/服务端通信协议是一种半双工的通信信道，什么叫半双工呢？半双工指的是允许客户端和服务端双方相互通信，但是同一时刻只允许存在单向通信。对于查询sql来讲，大多数都是客户端发送的查询数据包较小且为单个数据包，服务端返回的数据包较大且较大时大多拆分为多个数据包，多个数据包都需要被客户端完整接收才算是查询结束，这也是为什么在实际开发中要求我们避免使用select *以及增加limlt查询条件的原因之一。
• Connectors(连接器)的职责就是维护上述过程中的连接通到，包括建立连接、权限表验证、维持连接和关闭连接。新建和关闭应该不用过多描述；权限表验证是从user、host、db等表查出权限，放置在连接的上下文中(也就是说已经打开的链接不受权限变更影响)。维持连接则指的是Connectors需要保障完全接收服务器响应的数据包，不能出现丢包的情况。
• Connection Pool(连接池) ：作为一个单进程多线程的应用，mysql连接也参照实现一种池化

对于mysql连接，任何时刻都有一个状态，该状态表示了mysql当前正在做什么。使用show full processlist命令查看当前状态。下面是这些状态的解释：

• sleep：线程正在等待客户端发送新的请求；
• query：线程正在执行查询或者正在将结果发送给客户端；
• locked：在mysql服务器层，该线程正在等待表锁。在存储引擎级别实现的锁，例如InnoDB的行锁，并不会体现在线程状态中。对于MyISAM来说这是一个比较典型的状态。
• analyzing and statistics：线程正在收集存储引擎的统计信息，并生成查询的执行计划；
• copying to tmp table：线程在执行查询，并且将其结果集复制到一个临时表中，这种状态一般要么是做group by操作，要么是文件排序操作，或者union操作。如果这个状态后面还有on disk标记，那表示mysql正在将一个内存临时表放到磁盘上。
• sorting Result：线程正在对结果集进行排序。
• sending data：线程可能在多个状态间传送数据，或者在生成结果集，或者在想客户端返回数据。

核心层

我们之前说过，核心层包括安全权限(Management Services & Utilities 、)、sql解析(Parser)、缓存(cache)、执行优化(Optimizer)四块，不过还应该再加上SQL Interface(Sql接口)，这一块主要是承担和连接层的交互的作用。所以归纳而言

名称	说明
Management Services & Utilities	MySQL 的系统管理和控制工具，包括备份恢复、MySQL 复制、集群等。
SQL Interface（SQL 接口）	用来接收用户的 SQL 命令，返回用户需要查询的结果。
Parser（查询解析器）	包含验证和解析两部分，以便可以转换为MySQL优化器可以识别的数据结构或返回 SQL 语句的错误。
Optimizer（查询优化器）	验证权限和优化查询。举个例子 SELECT id, name FROM student WHERE sex = "女";,SELECT 查询先根据 WHERE 语句进行选取，而不是将表全部查询出来以后再进行sex过滤。这就属于一种优化。 SELECT 查询先根据 id 和 name 进行属性投影，而不是将属性全部取出以后再进行过滤，将这两个查询条件连接起来生成最终查询结果。所以说Mysql是使用“选取-投影-连接”策略进行查询。
Caches & Buffers（查询缓存）	查询的时候如果发现缓存中有(hash实现)，就直接返回缓存中的结果。这个缓存机制是由一系列小缓存组成的，比如表缓存、记录缓存、key 缓存、权限缓存等。

Caches & Buffers（查询缓存）

对select查询结果做缓存，这个缓存可能包含多个小缓存，缓存的key值是通过查询本身、当前要查询的数据库、客户端协议版本号等一些可能影响结果的信息计算得来。所以两个查询在任何字符上的不同 (例如 : 空格、注释)，都会导致缓存不会命中。

MySQL 8.0版本中查询缓存的功能已经被删除

Management Services & Utilities

主要为Mysql的管理服务和一些工具组件，主要作用是对数据的恢复、回滚，以及数据迁移、复制、元数据的管理。主要为以下功能

• 数据库备份和恢复
• 数据库安全管理，如用户及权限管理
• 数据库复制管理
• 数据库集群管理
• 数据库分区，分库，分表管理
• 数据库元数据管理

SQL Interface（SQL 接口）

主要是用来接收Sql信息和返回执行结果.大体可以分以下几类：

• Data Manipulation Language (DML).
• Data Definition Language (DDL).
• 存储过程
• 视图
• 触发器

Parser（查询解析器)

  主要是对传递过来sql的分解，先对语法进行验证检查。语法检查通过后，解析器会查询缓存，如果缓存中有对应的语句，就直接返回结果不进行接下来的优化执行操作。

ps: 缓存中数据被修改，会被清出缓存。

Optimizer（查询优化器）

  Optimizer阶段主要就是对sql的优化了，通过系统规则选定最优的执行方案。这个过程包括选择语法、常量转换与计算、无效代码排除、AND/OR等等，必要时还可能查询存储引擎，获得最优策略。

Pluggable Storage Engine(存储引擎层)

作为Mysql最具有特色的一块地方，Mysql将存储引擎作为一个抽象类，InnoDB、MyISAM、BDB、Memory等等都是其子类。5.5版本以后以InnoDB作为其默认实现。目前除mysql以外其他大多都是单一存储引擎。

ps:存储引擎是基于表的，而不是数据库

InnoDB(默认存储引擎)

• 完整的支持ACID事务
• 支持行级锁
• 支持外键
• 使用聚集索引，索引和数据绑在一起在一个逻辑空间上，b+树叶子节点对于主键索引存储的是数据，对于辅助索引(二级索引)对应的则是主键的值
• count扫全表
• 必须存在唯一索引(主键)

MyISAM

• 不支持事务，但是插入和更新更快
• 支持表级锁
• 不支持外键
• 使用非聚集索引，索引和数据分离的，b+树叶子结点均存储的是实体数据文件地址的指针
• count走变量不走全表
• 唯一索引非必要

对于存储引擎的分析在下一篇博客会着重介绍，这里先介绍整个Mysql的架构，通过架构可以反应出一个sql的执行流程

文件系统层

    磁盘最小单位是512字节，操作系统是4KB，mysql里最小的是page（页面）有16K

因为基于存储引擎的不同，底层文件结构也会有些不同，比如InnoDB：frm是表定义文件，ibd是数据文件，而MyISAM：myd是数据文件，myi是索引文件。InnoDB还有redo Log、undo Log

结尾

本篇博客作为一个Mysql全局概览的介绍，由连接层自上而下的说明了整个Mysql的结构组成，但是Mysql核心还是在存储引擎上，所以后面会专门拿出一篇博文来介绍InnoDB默认引擎，巩固自己的知识点。

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