进阶篇

【DAY8】

一.InnoDB引擎

1）逻辑存储结构

InnoDB的逻辑存储结构如图

• 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
  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
  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
  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
  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，可以通过它来找该记录修改前的信息。

2）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。

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。

内存结构

在左侧的内存结构中，主要分为四部分： Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive、Hash Index、Log Buffer。

1.Buffer Pool

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。

在专用服务器上，通常将多达80％的物理内存分配给缓冲池 。参数设置：

 show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

2.Change Buffer

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

3.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。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。

自适应哈希索引，无需人工干预，是系统根据情况自动完成。

参数： adaptive_hash_index

4.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。

• 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

1.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。(在MySQL5.x版本中还包含InnoDB数据字典、undolog等)

参数：innodb_data_file_path

系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。

2.File-Per-Table Tablespaces

独立表空间，每创建一个表，都会产生一个表空间文件.idb

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。

3.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

用户可以手动创建、管理和复用的表空间，可以存放一个或多个表的数据

通用表空间是用户显式创建的、可跨多个表共享的、位于自定义位置的 InnoDB 表空间。

1. 创建表空间

   create tablespace ts_name add daatafile 'file_name' engine = engine_name;
   

2. 创建表时指定表空间

   create table xxx ... tablespace ts_name;
   

4.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

5.Temporary Tablespaces

InnoDB使用回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

特性	说明
独立文件 ibtmp1	默认路径：datadir/ibtmp1
自动扩展	文件会自动增长以满足需求（可配置）
重启时重建	MySQL 重启时，ibtmp1 被删除并重新创建
不记录到 binlog	临时表不会复制到从库（除非特别设置）
会话隔离	每个会话的临时表彼此不可见
性能优化	使用内存（Memory 引擎）或磁盘（InnoDB）存储

6.Doublewrite Buffer Files

双写缓存区，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

文件后缀 .dblwr

7.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 logbuffer）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：

ib_logfile0、ib_logfile1

后台线程

数据从内存更新到磁盘中涉及后台内存

在InnoDB的后台线程中，分为4类，分别是：Master Thread 、IO Thread、Purge Thread、Page Cleaner Thread。

1.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 。

2.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	负责写操作
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;

3.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。

4.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。

3）事务原理

概述

事务 是一组操作的集合，它是一个不可分割的工作单位，事务会把所有的操作作为一个整体一起向系统提交或撤销操作请求，即这些操作要么同时成功，要么同时失败

特性
• 原子性（Atomicity）：事务是不可分割的最小操作单元，要么全部成功，要么全部失败。
• 一致性（Consistency）：事务完成时，必须使所有的数据都保持一致状态。
• 隔离性（Isolation）：数据库系统提供的隔离机制，保证事务在不受外部并发操作影响的独立环境下运行。
• 持久性（Durability）：事务一旦提交或回滚，它对数据库中的数据的改变就是永久的。

我们研究事务的原理，就是研究MySQL的InnoDB引擎是如何保证事务的这四大特性的

redolog

重做日志，记录的是事务提交时数据页的物理修改，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 logfile）,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存到该日志文件中, 用于在刷新脏页到磁盘,发生错误时, 进行数据恢复使用。

有了redolog之后，当对缓冲区的数据进行增删改之后，会首先将操作的数据页的变化，记录在redolog buffer中。在事务提交时，会将redo log buffer中的数据刷新到redo log磁盘文件中。

过一段时间之后，如果刷新缓冲区的脏页到磁盘时，发生错误，此时就可以借助于redo log进行数据恢复，这样就保证了事务的持久性。 而如果脏页成功刷新到磁盘 或 或者涉及到的数据已经落盘，此时redolog就没有作用了，就可以删除了，所以存在的两个redolog文件是循环写的。

那为什么每一次提交事务，要刷新redo log 到磁盘中呢，而不是直接将buffer pool中的脏页刷新
到磁盘呢 ?

因为在业务操作中，我们操作数据一般都是随机读写磁盘的，而不是顺序读写磁盘。 而redo log在往磁盘文件中写入数据，由于是日志文件，所以都是顺序写的。顺序写的效率，要远大于随机写。 这种先写日志的方式，称之为 WAL（Write-Ahead Logging）。

undolog

回滚日志，用于记录数据被修改前的信息 , 作用包含两个 : 提供回滚(保证事务的原子性) 和MVCC(多版本并发控制) 。

undo log和redo log记录物理日志不一样，它是逻辑日志。

可以认为当delete一条记录时，undolog中会记录一条对应的insert记录，反之亦然，当update一条记录时，它记录一条对应相反的update记录。

当执行rollback时，就可以从undo log中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚。

Undo log销毁：undo log在事务执行时产生，事务提交时，并不会立即删除undo log，因为这些日志可能还用于MVCC。

Undo log存储：undo log采用段的方式进行管理和记录，存放在前面介绍的 rollback segment回滚段中，内部包含1024个undo log segment

4）MVCC

基本概念

1. 当前读

   读取的是记录的最新版本，读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录，会对读取的记录进行加锁。对于我们日常的操作，如：select … lock in share mode(共享锁)，select …for update、update、insert、delete(排他锁)都是一种当前读。

2. 快照读
   简单的select（不加锁）就是快照读，快照读，读取的是记录数据的可见版本，有可能是历史数据，不加锁，是非阻塞读。
   • Read Committed：每次select，都生成一个快照读。
   • Repeatable Read：开启事务后第一个select语句才是快照读的地方。
   • Serializable：快照读会退化为当前读。

3. MVCC
   全称 Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。指维护一个数据的多个版本，使得读写操作没有冲突，快照读为MySQL实现MVCC提供了一个非阻塞读功能。MVCC的具体实现，还需要依赖于数据库记录中的三个隐式字段、undo log日志、readView。

隐藏字段

当我们创建了上面的这张表，我们在查看表结构的时候，就可以显式的看到这三个字段。

实际上除了这三个字段以外，InnoDB还会自动的给我们添加三个隐藏字段及其含义分别是:

隐藏字段	含义
DB_TRX_ID	最近修改事务ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID
DB_ROLL_PTR	回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合undo log，指向上一个版本
DB_ROW_ID	隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段

进入服务器中的 /var/lib/mysql/itcast/ , 查看stu的表结构信息, 通过如下指令:

ibd2sdi stu.ibd

undolog版本链

undolog：

回滚日志，在insert、update、delete的时候产生的便于数据回滚的日志。

当insert的时候，产生的undo log日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被立即删除。

而update、delete的时候，产生的undo log日志不仅在回滚时需要，在快照读时也需要，不会立即被删除。

不同事务或相同事务对同一条记录进行修改，会导致该记录的undolog生成一条记录版本链表，链表的头部是最新的旧记录，链表尾部是最早的旧记录

readview介绍

ReadView（读视图）是 快照读 SQL执行时MVCC提取数据的依据，记录并维护系统当前活跃的事务（未提交的）id。

ReadView中包含了四个核心字段：

字段	含义
m_ids	当前活跃的事务ID集合
min_trx_id	最小活跃事务ID
max_trx_id	预分配事务ID，当前最大事务ID+1（因为事务ID是自增的）
creator_trx_id	ReadView创建者的事务ID

而在readview中就规定了版本链数据的访问规则：

trx_id 代表当前undolog版本链对应事务ID

不同的隔离级别，生成ReadView的时机不同：

• READ COMMITTED ：在事务中每一次执行快照读时生成ReadView。
• REPEATABLE READ：仅在事务中第一次执行快照读时生成ReadView，后续复用该ReadView。

原理分析（RC级别）

匹配到第三条，trx_id为2，满足②，所以此次快照返回的数据就是版本链中记录的这条数据

原理分析（RR级别）

所以，MVCC的实现原理就是通过 InnoDB表的隐藏字段、UndoLog 版本链、ReadView来实现的。

而MVCC + 锁，则实现了事务的隔离性。 而一致性则是由redolog 与 undolog保证。

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二.MySQL管理

1）系统数据库介绍

MySQL数据库安装完成后，自带了四个数据库：

数据库	含义
mysql	存储MySQL服务器正常运行所需要的各种信息 （时区、主从、用户、权限等）
information_schema	提供了访问数据库元数据的各种表和视图，包含数据库、表、字段类型及访问权限等
performance_schema	为MySQL服务器运行时状态提供了一个底层监控功能，主要用于收集数据库服务器性能参数
sys	包含了一系列方便 DBA 和开发人员利用 performance_schema性能数据库进行性能调优和诊断的视图

2）常用工具

1.mysql

该mysql不是指mysql服务，而是指mysql的客户端工具

-- 语法 ：
	mysql [options] [database]

-- 选项 ：
	-u, --user=name #指定用户名
	-p, --password[=name] #指定密码
	-h, --host=name #指定服务器IP或域名
	-P, --port=port #指定连接端口
	-e, --execute=name #执行SQL语句并退出

-e选项可以在Mysql客户端执行SQL语句，而不用连接到MySQL数据库再执行，对于一些批处理脚本，这种方式尤其方便

-- eg 
mysql -uroot –p123456 db01 -e "select * from stu";

2.mysqladmin

mysqladmin 是一个执行管理操作的客户端程序。可以用它来检查服务器的配置和当前状态、创建并删除数据库等

-- 通过帮助文档查看选项：
	mysqladmin --help

-- 语法:
	mysqladmin [options] command ...

-- 选项:
	-u, --user=name #指定用户名
	-p, --password[=name] #指定密码
	-h, --host=name #指定服务器IP或域名
	-P, --port=port #指定连接端口

3.mysqlbinlog

由于服务器生成的二进制日志文件以二进制格式保存，所以如果想要检查这些文本的文本格式，就会使
用到mysqlbinlog 日志管理工具

-- 语法 ：
	mysqlbinlog [options] log-files1 log-files2 ...

-- 选项 ：
	-d -- database=name  指定数据库名称，只列出指定的数据库相关操作。
	-o -- offset=#       忽略掉日志中的前n行命令。
	-r -- result-file=name 将输出的文本格式日志输出到指定文件。
	-s -- short-form 显示简单格式， 省略掉一些信息。
	--start-datatime=date1 --stop-datetime=date2 指定日期间隔内的所有日志。
	--start-position=pos1 --stop-position=pos2 指定位置间隔内的所有日志。

4.mysqlshow

mysqlshow 客户端对象查找工具，用来很快地查找存在哪些数据库、数据库中的表、表中的列或者索引

-- 语法 ：
	mysqlshow [options] [db_name [table_name [col_name]]]

-- 选项 ：
	--count 显示数据库及表的统计信息（数据库，表 均可以不指定）
	-i 显示指定数据库或者指定表的状态信息

-- 示例：
	#查询test库中每个表中的字段书，及行数
	mysqlshow -uroot -p2143 test --count
	#查询test库中book表的详细情况
	mysqlshow -uroot -p2143 test book --count

5.mysqldump

mysqldump 客户端工具用来备份数据库或在不同数据库之间进行数据迁移。备份内容包含创建表，及插入表的SQL语句

-- 语法 ：
	mysqldump [options] db_name [tables]
	mysqldump [options] --database/-B db1 [db2 db3...]
	mysqldump [options] --all-databases/-A

-- 连接选项 ：
	-u, --user=name 指定用户名
	-p, --password[=name] 指定密码
	-h, --host=name 指定服务器ip或域名
	-P, --port=# 指定连接端口

-- 输出选项：
	--add-drop-database 在每个数据库创建语句前加上 drop database 语句
	--add-drop-table 在每个表创建语句前加上 drop table 语句 , 默认开启 ; 不
	
-- 开启 (--skip-add-drop-table)
	-n, --no-create-db 不包含数据库的创建语句
	-t, --no-create-info 不包含数据表的创建语句
	-d --no-data 不包含数据
	-T, --tab=name 自动生成两个文件：一个.sql文件，创建表结构的语句；一
个.txt文件，数据文件

6.mysqlimport/source

1. mysqlimport

   mysqlimport 是客户端数据导入工具，用来导入mysqldump 加 -T 参数后导出的文本文件。

   -- 语法 ：
   	mysqlimport [options] db_name textfile1 [textfile2...]
   -- 示例 ：
   	mysqlimport -uroot -p2143 test /tmp/city.txt
   

2. source

   如果需要导入sql文件,可以使用mysql中的source 指令 :

   -- 语法：
   	source /root/xxxxx.sql
   

（笔记内容主要基于黑马程序员的课程讲解，旨在加深理解和便于日后复习）

希望这篇笔记能对大家的学习有所帮助，有啥不对的地方欢迎大佬们在评论区