1 逻辑结构

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1.1 表空间

表空间是InnoDB引擎逻辑存储结构最高层，如果用户启用参数innodb_file_per_table（8.0版本默认开启），则每张表对应一个表空间。表空间磁盘存储为xxx.idb文件。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。

示例：

-- 查看设置
show variables like 'innodb_file_per_table';
show tables;

找到自己mysql磁盘位置，如下图所示；

1.2 段

段分为数据段（Leaf node segment）、索引段（Non-leaf node segment）、回滚段（Rollbak segment），InnoDB是索引组织表，数据段就是B+数的叶子结点，索引段就是B+树的非叶子结点。段用来管理多个Extent（区）。

1.3 区

区，表空间的单元结构，每个区大小为1M。默认情况下，InnoDB存储引擎页大小16k，即一个区有一共64个连续的页。

1.4 页

页，是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页大小默认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。

1.5 行

InnoDB存储引擎是按行进行存放的。

在行中，默认有两个隐藏字段：

• Trx_id： 每次对某条记录改动时，对会把对应的事务id赋值为trx_id隐藏列；
• Roll_pointer：某次都某条记录改动时，都会把旧版本写入undo日志中，这个这个隐藏列相当于一个指针，通过它找到记录被修改前的信息。

2 架构

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，日常开发中使用广泛。上面是InnoDB架构图，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构。

2.1 内存架构

InnoDB存储引擎内存结构，主要分为四部分：Buffer Pool、Change Buffer、Adaptive Hash Index、Log Buffer。

2.1.1 Buffer Pool

InnoDB存储引擎基于磁盘文件存储，内存与物理硬盘读取速度相差很大，为了弥补两者之间I/O效率的差值，需要先把数据加载或者读取到缓冲池，避免每次直接进行磁盘I/O。

在InnoDB缓冲池中不仅缓存了索引页和数据页，还包括了undo页、插入缓存、自适应哈希以及InnoDB的锁信息等等。

缓冲池是主存中的一个区域，里面可以缓存磁盘上经常操作的数据，在进行增删改查操作时，先操作缓冲池中的数据(若缓冲池没有相应数据，从磁盘加载），然后以一定策略刷新到磁盘，从而减少磁盘IO，加快处理速度。

缓冲池以页为单位，底层采用链表结构管理Page。根据状态，将page分为三种类型：

• free page：空闲page，未被使用；
• clean page：被使用的page，数据未被修改过；
• dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，内存中数据与磁盘中数据产生不一致。

在专用服务器上，通常将多达80%的内存分配给缓冲池。参数设置：

show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

Variable_name	Value
innodb_buffer_pool_size	134217728

2.1.2 change bufer

change buffer，更改缓冲区（针对非唯一二级索引页），在执行DML时，如果这些数据page没有在buff 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，在数据被读取时，在将数据合并恢复到 buffer pool 中，在将合并后的数据刷新到磁盘。

如上图所示，和聚集索引不同，二级索引通常不是唯一的，并且以相对随机的顺序插入二级索引。同样，删除和更新可能影响索引树中不相邻的索引页。如果每次都操作磁盘，会产生大量的磁盘I/O。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I/O。

2.1.3 自适应哈希

自适应hash索引，用于优化对buffer pool 数据的查询。InnoDB引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到可以提升速度，则建立hash索引，称之为自适应hash。

自适应hash，无需人工干预，是系统根据情况自动生成。

查看自适应hash开关命令如下

show variables like '%adaptive_hash_index%';

Variable_name	Value
innodb_adaptive_hash_index	ON

2.1.4 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 logo），默认大小16M，日志缓冲区中的日志会定期刷新到磁盘中。如果需要更新、插入或删除多行的事务，增加日志缓冲区的大小可以减少磁盘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，常用取值去下

  • 1：日志在每次事务提交时写入并刷新磁盘，默认值；
  • 0：每秒将日志写入并刷新磁盘一次；
  • 2：日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次。

2.2 磁盘架构

2.2.1 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创建，而不是每个表文件或者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，还包括InnoDB数据字典、undolog等）

参数：innodb_data_file_path

mysql> show variables like '%innodb_data_file_path%';
+-----------------------+------------------------+
| Variable_name         | Value                  |
+-----------------------+------------------------+
| innodb_data_file_path | ibdata1:12M:autoextend |
+-----------------------+------------------------+

2.2.2 File-Per-Table Tablespace

如果开启了innodb_file_per_table开关，则每个表表空间中包含该表数据和索引，并存储在系统文件的单个数据文件中。

开关参数：innodb_file_per_table,默认开启。

2.2.3 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。语法如下：

-- 创建表空间
create tablespace 表空间名称 add datafile '文件名称' engine='引擎名称';
-- 创建表时指定表空间
create table ... tablespace 表空名称;

2.2.4 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。

2.2.5 Tempory 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。

2.2.6 DoubleWrite Buffer Files

双写缓冲区，InnoDB引擎将数据从buffer pool刷新到磁盘前，先将数据页写入双写缓冲区文件，便于系统异常时恢复数据。磁盘文件如下图所示：

2.2.7 Redo Log

重做日志，用来实现事物的持久性。该日志文件由两部分组成：重做日志缓存（redo log buffer）以及重做日志文件（redo log），前者在内存中，后者在磁盘中。当事务提交后会把所有修改信息存到该日志中，用于刷新脏页到磁盘，发生错误时，进行数据恢复。

3 后台线程

在了解了InnoDB引擎的内存结构和磁盘结构后，内存与磁盘是如何交互的呢？这涉及到一组后台线程。在InnoDB的后台线程中，分为4类：

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

3.1 Master Thread

核心后台线程，负责调度其他线程、将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘中，保存数据一致性，还包括脏页的刷新、合并插入缓存、undo页的回收。

3.2 IO Thread

在InnoDB引擎中大量使用了AIO来处理IO请求，这样可以极大提供数据库的性能，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	读操作
write thread	4	写操作
log thread	1	将日志缓冲区刷新到磁盘
insert buffer thread	1	将缓冲区内容刷新到磁盘

我们可以通过以下命令，查看InnoDB的状态信息，其中包括IO Thread信息

show engine	innodb status;
--------
FILE I/O
--------
I/O thread 0 state: waiting for completed aio requests ((null))
I/O thread 1 state: waiting for completed aio requests (insert buffer thread)
I/O thread 2 state: waiting for completed aio requests (read thread)
I/O thread 3 state: waiting for completed aio requests (read thread)
I/O thread 4 state: waiting for completed aio requests (read thread)
I/O thread 5 state: waiting for completed aio requests (read thread)
I/O thread 6 state: waiting for completed aio requests (write thread)
I/O thread 7 state: waiting for completed aio requests (write thread)
I/O thread 8 state: waiting for completed aio requests (write thread)
Pending normal aio reads: [0, 0, 0, 0] , aio writes: [0, 0, 0, 0] ,
 ibuf aio reads:
Pending flushes (fsync) log: 0; buffer pool: 0
1061 OS file reads, 277 OS file writes, 112 OS fsyncs
0.00 reads/s, 0 avg bytes/read, 0.00 writes/s, 0.00 fsyncs/s
-------------------------------------

3.3 Purge Thread

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

3.4 Page Cleaner Thread

协助Master Thread刷新脏页到磁盘的线程，它可以减轻Master Thread的压力，减少阻塞。

结语

如果小伙伴什么问题或者指教，欢迎交流。

❓QQ:806797785

参考链接:

[1]MySQL数据库视频[CP/OL].2020-04-16.p133-137.