【Mysql】InnoDB引擎

1. 逻辑存储结构

InnoDB的逻辑存储结构如下图所示：

• 表空间（Tablespace）：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)，一个数据库可以对应多个表空间，用于存储记录，索引等数据。

• 段（Segment）：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（Extent）：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（Page）：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（Row）：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：每次对某条聚集索引改动时，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。

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2. 架构

2.1 概述

MYSQL5.5版本开始，默认使用InnoDB存储引擎，他擅长事务处理，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：

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2.2 内存结构

在左侧的内存结构中，主要分为四大块：Buffer Pool(缓冲池)、Change Buffer(更改缓冲区)、Adaptive Hash Index(自适应hash索引)、Log Buffer(日志缓冲区)。

2.2.1 Buffer Pool(缓冲池)

InnoDB存储引擎基于磁盘文件储存，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。

Buffer Pool：缓冲池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（若缓冲池也没有数据，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：

1. free page：空闲page，未被使用。
2. clean page：被使用，数据没有被修改过。
3. dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，页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';

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2.2.2 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语句是，如果这些数据Page没有在Buffer Pool中，则不会直接操作磁盘，而会将数据变更存在更改缓冲区（Change Buffer）中，在未来数据被读取的时候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。

Change Buffer 存在的意义：

如下是二级索引的结构图：

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，如果每次都操作磁盘，会造成大量的磁盘IO，有了 Change Buffer 之后，我们可以在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘IO。

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2.2.3 Adptive Hash Index(自适应hash索引)

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

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2.2.4 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。
  • 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。

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2.3 磁盘结构

如下是磁盘结构图：

2.3.1 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)

参数：innodb_data_file_path

系统表空间，默认的文件名叫 ibdata1。

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2.3.2 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。

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：

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2.3.3 General Tablespaces(通用表空)

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。

A.创建表空间

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

B.创建表时指定表空间

CREATE TABLE xxx ... TABLESPACE ts_name;

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2.3.4 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。

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2.3.5 Temporary Tablespace(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。

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2.3.6 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。

双写缓冲区文件：

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2.3.7 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，涉及以下两个文件：

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2.4 后台线程

在InnoDB的后台线程中，分为4类，分别是：

• Master Thread
• IO Thread
• Purge Thread
• Page Cleaner Thread

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2.4.1 Master Thread(核心后台线程)

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。

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2.4.2 IO Thread(IO线程)

在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO(异步非阻塞IO)来处理IO请求，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	负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

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2.4.3 Purge Thread(回收线程)

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。

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2.4.4 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。