【云原生进阶之数据库技术】第一章MySQL-3.1-整体架构

1 MySQL体系架构

MySQL Server架构自顶向下大致可以分网络连接层、服务层、存储引擎层和系统文件层。

1.1 网络连接层

客户端连接器（Client Connectors）：提供与MySQL服务器建立的支持。目前几乎支持所有主流的服务器编程技术，例如常见的Java、C、Python、.NET等，它们通过各自的API技术与MySQL建立连接。

1.2 服务层（MySQL Server）

服务层是MySQL Server的核心，主要包含系统管理和控制工具、连接池、SQL接口、解析器、查询优化器和缓存六个部分：

• 连接池（Connection Pool）：负责存储和管理客户端与数据库的连接，一个线程负责管理一个连接。

• 系统管理和控制工具（Management Services & Utilities）：例如备份恢复、安全管理、集群 管理等 - SQL接口（SQL Interface）：用于接受客户端发送的各种SQL命令，并且返回用户需要查询的结果。比如DML、DDL、存储过程、视图、触发器等。

• 解析器（Parser）：负责将请求的SQL解析生成一个"解析树"。然后根据一些MySQL规则进一步检查解析树是否合法。

• 查询优化器（Optimizer）：当"解析树"通过解析器语法检查后，将交由优化器将其转化成执行计划，然后与存储引擎交互。

select uid,name from user where gender=1;

选取--》投影--》联接 策略

1）select先根据where语句进行选取，并不是查询出全部数据再过滤；

2）select查询根据uid和name进行属性投影，并不是取出所有字段；

3）将前面选取和投影联接起来最终生成查询结果；

• 缓存（Cache&Buffer）：缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存，记录缓存，权限缓存，引擎缓存等。如果查询缓存有命中的查询结果，查询语句就可以直接去查询缓存中取数据。

1.3 存储引擎层（Pluggable Storage Engines）

存储引擎负责MySQL中数据的存储与提取，与底层系统文件进行交互。MySQL存储引擎是插件式的，服务器中的查询执行引擎通过接口与存储引擎进行通信，接口屏蔽了不同存储引擎之间的差异 。现在有很多种存储引擎，各有各的特点，最常见的是MyISAM和InnoDB。

1.4 系统文件层（File System）

该层负责将数据库的数据和日志存储在文件系统之上，并完成与存储引擎的交互，是文件的物理存储层。主要包含日志文件，数据文件，配置文件，pid 文件，socket 文件等。

• 日志文件
  • 错误日志（Error log）默认开启，show variables like '%log_error%'
  • 通用查询日志（General query log）记录一般查询语句，show variables like '%general%';
  • 二进制日志（binary log）

记录了对MySQL数据库执行的更改操作，并且记录了语句的发生时间、执行时长；但是它不记录select、show等不修改数据库的SQL。主要用于数据库恢复和主从复制。

show variables like '%log_bin%'; //是否开启

show variables like '%binlog%'; //参数查看

show binary logs; //查看日志文件

• • 慢查询日志（Slow query log）

记录所有执行时间超时的查询SQL，默认是10秒。

show variables like '%slow_query%'; //是否开启

show variables like '%long_query_time%'; //时长

• 配置文件

用于存放MySQL所有的配置信息文件，比如my.cnf、my.ini等。

• 数据文件
  • db.opt 文件：记录这个库的默认使用的字符集和校验规则。
  • frm 文件：存储与表相关的元数据（meta）信息，包括表结构的定义信息等，每一张表都会有一个frm 文件。
  • MYD 文件：MyISAM 存储引擎专用，存放 MyISAM 表的数据（data)，每一张表都会有一个MYD 文件。
  • MYI 文件：MyISAM 存储引擎专用，存放 MyISAM 表的索引相关信息，每一张 MyISAM 表对应一个 .MYI 文件。
  • ibd文件和 IBDATA 文件：存放 InnoDB 的数据文件（包括索引）。InnoDB 存储引擎有两种表空间方式：独享表空间和共享表空间。独享表空间使用 .ibd 文件来存放数据，且每一张InnoDB 表对应一个 .ibd 文件。共享表空间使用 .ibdata 文件，所有表共同使用一个（或多个，自行配置）.ibdata 文件。
  • ibdata1 文件：系统表空间数据文件，存储表元数据、Undo日志等 。
  • ib_logfile0、ib_logfile1 文件：Redo log 日志文件。
• pid 文件

pid 文件是 mysqld 应用程序在 Unix/Linux 环境下的一个进程文件，和许多其他 Unix/Linux 服务端程序一样，它存放着自己的进程 id。

• socket 文件

socket 文件也是在 Unix/Linux 环境下才有的，用户在 Unix/Linux 环境下客户端连接可以不通过TCP/IP 网络而直接使用 Unix Socket 来连接 MySQL。

2. MySQL运行机制

MySQL运行机制

2.1 建立连接（Connectors&Connection Pool）

通过客户端/服务器通信协议与MySQL建立连接。MySQL 客户端与服务端的通信方式是 " 半双工 "。对于每一个 MySQL 的连接，时刻都有一个线程状态来标识这个连接正在做什么。

通讯机制：

• 全双工：能同时发送和接收数据，例如平时打电话。
• 半双工：指的某一时刻，要么发送数据，要么接收数据，不能同时。例如早期对讲机。
• 单工：只能发送数据或只能接收数据。例如单行道。

线程状态： show processlist; //查看用户正在运行的线程信息，root用户能查看所有线程，其他用户只能看自己的。

• id：线程ID，可以使用kill xx；
• user：启动这个线程的用户
• Host：发送请求的客户端的IP和端口号
• db：当前命令在哪个库执行
• Command：该线程正在执行的操作命令
  • Create DB：正在创建库操作
  • Drop DB：正在删除库操作
  • Execute：正在执行一个PreparedStatement
  • Close Stmt：正在关闭一个PreparedStatement
  • Query：正在执行一个语句
  • Sleep：正在等待客户端发送语句
  • Quit：正在退出
  • Shutdown：正在关闭服务器
• Time：表示该线程处于当前状态的时间，单位是秒
• State：线程状态
  • Updating：正在搜索匹配记录，进行修改
  • Sleeping：正在等待客户端发送新请求
  • Starting：正在执行请求处理
  • Checking table：正在检查数据表
  • Closing table : 正在将表中数据刷新到磁盘中
  • Locked：被其他查询锁住了记录
  • Sending Data：正在处理Select查询，同时将结果发送给客户端
• Info：一般记录线程执行的语句，默认显示前100个字符。想查看完整的使用show full processlist;

2.2 查询缓存（Cache&Buffer）

这是MySQL的一个可优化查询的地方，如果开启了查询缓存且在查询缓存过程中查询到完全相同的SQL语句，则将查询结果直接返回给客户端；如果没有开启查询缓存或者没有查询到完全相同的 SQL 语句则会由解析器进行语法语义解析，并生成"解析树"。

• 缓存Select查询的结果和SQL语句
• 执行Select查询时，先查询缓存，判断是否存在可用的记录集，要求是否完全相同（包括参数值），这样才会匹配缓存数据命中。
• 即使开启查询缓存，以下SQL也不能缓存
  • 查询语句使用SQL_NO_CACHE
  • 查询的结果大于query_cache_limit设置
  • 查询中有一些不确定的参数，比如now()

show variables like '%query_cache%'; //查看查询缓存是否启用，空间大小，限制等

show status like 'Qcache%'; //查看更详细的缓存参数，可用缓存空间，缓存块，缓存多少等

2.3 解析器（Parser）

将客户端发送的SQL进行语法解析，生成"解析树"。预处理器根据一些MySQL规则进一步检查"解析树"是否合法，例如这里将检查数据表和数据列是否存在，还会解析名字和别名，看看它们是否有歧义，最后生成新的"解析树"。

2.4 查询优化器（Optimizer）

根据"解析树"生成最优的执行计划。MySQL使用很多优化策略生成最优的执行计划，可以分为两类：静态优化（编译时优化）、动态优化（运行时优化）。

• 等价变换策略
  • 5=5 and a>5 改成 a > 5
  • a < b and a=5 改成b>5 and a=5
  • 基于联合索引，调整条件位置等
• 优化count、min、max等函数
  • InnoDB引擎min函数只需要找索引最左边
  • InnoDB引擎max函数只需要找索引最右边
  • MyISAM引擎count(*)，不需要计算，直接返回
• 提前终止查询
  • 使用了limit查询，获取limit所需的数据，就不在继续遍历后面数据
• in的优化
  • MySQL对in查询，会先进行排序，再采用二分法查找数据。比如where id in (2,1,3)，变成 in (1,2,3)

2.5 查询执行引擎负责执行 SQL 语句

此时查询执行引擎会根据 SQL 语句中表的存储引擎类型，以及对应的API接口与底层存储引擎缓存或者物理文件的交互，得到查询结果并返回给客户端。若开启用查询缓存，这时会将SQL 语句和结果完整地保存到查询缓存（Cache&Buffer）中，以后若有相同的 SQL 语句执行则直接返回结果。

• 如果开启了查询缓存，先将查询结果做缓存操作
• 返回结果过多，采用增量模式返回

3 MySQL存储引擎

存储引擎在MySQL的体系架构中位于第三层，负责MySQL中的数据的存储和提取，是与文件打交道的子系统，它是根据MySQL提供的文件访问层抽象接口定制的一种文件访问机制，这种机制就叫作存储引擎。 使用show engines命令，就可以查看当前数据库支持的引擎信息。

在5.5版本之前默认采用MyISAM存储引擎，从5.5开始采用InnoDB存储引擎。

• InnoDB：支持事务，具有提交，回滚和崩溃恢复能力，事务安全
• MyISAM：不支持事务和外键，访问速度快
• Memory：利用内存创建表，访问速度非常快，因为数据在内存，而且默认使用Hash索引，但是一旦关闭，数据就会丢失
• Archive：归档类型引擎，仅能支持insert和select语句
• Csv：以CSV文件进行数据存储，由于文件限制，所有列必须强制指定not null，另外CSV引擎也不支持索引和分区，适合做数据交换的中间表
• BlackHole: 黑洞，只进不出，进来消失，所有插入数据都不会保存
• Federated：可以访问远端MySQL数据库中的表。一个本地表，不保存数据，访问远程表内容
• MRG_MyISAM：一组MyISAM表的组合，这些MyISAM表必须结构相同，Merge表本身没有数据，对Merge操作可以对一组MyISAM表进行操作。

3.1 InnoDB和MyISAM对比

InnoDB和MyISAM是使用MySQL时最常用的两种引擎类型，来看下它们的区别。

• 事务和外键

InnoDB支持事务和外键，具有安全性和完整性，适合大量insert或update操作。MyISAM不支持事务和外键，它提供高速存储和检索，适合大量的select查询操作。

• 锁机制

InnoDB支持行级锁，锁定指定记录。基于索引来加锁实现。 MyISAM支持表级锁，锁定整张表。

• 索引结构

InnoDB使用聚集索引（聚簇索引），索引和记录在一起存储，既缓存索引，也缓存记录。MyISAM使用非聚集索引（非聚簇索引），索引和记录分开。

• 并发处理能力

MyISAM使用表锁，会导致写操作并发率低，读之间并不阻塞，读写阻塞。 InnoDB读写阻塞可以与隔离级别有关，可以采用多版本并发控制（MVCC）来支持高并发。

• 存储文件

InnoDB表对应两个文件，一个.frm表结构文件，一个.ibd数据文件。InnoDB表最大支持64TB； MyISAM表对应三个文件，一个.frm表结构文件，一个MYD表数据文件，一个.MYI索引文件。从MySQL5.0开始默认限制是256TB。

适用场景：

MyISAM

• 不需要事务支持（不支持）
• 并发相对较低（锁定机制问题）
• 数据修改相对较少，以读为主
• 数据一致性要求不高

InnoDB

• 需要事务支持（具有较好的事务特性）
• 行级锁定对高并发有很好的适应能力
• 数据更新较为频繁的场景
• 数据一致性要求较高
• 硬件设备内存较大，可以利用InnoDB较好的缓存能力来提高内存利用率，减少磁盘IO

总结： 两种引擎该如何选择？

• 是否需要事务？有，InnoDB
• 是否存在并发修改？有，InnoDB
• 是否追求快速查询，且数据修改少？是，MyISAM
• 在绝大多数情况下，推荐使用InnoDB

参考链接

深度好文：MySQL架构

MySQL基础篇(05)：逻辑架构图解和InnoDB存储引擎详解-腾讯云开发者社区-腾讯云

MySQL架构详解-腾讯云开发者社区-腾讯云