MySQL InnoDB引擎
一、InnoDB逻辑存储结构
- 表空间(ibd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。
- 段：分为数据段、索引段、回滚段，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：表空间单元结构，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：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：InnoDB存储引擎是按行进行存放的。
二、InnoDB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，在日常开发中使用广泛。
下面InnoDB架构图中，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构。
2.1 内存结构
2.1.1 Buffer Pool缓冲池
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，
先操作缓存池中的数据(若缓存池没有数据，则从磁盘加载并缓存)，然后再以一定频率刷新到磁盘中，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page分为三类：
- 1.free page：空闲页，未被使用。
- 2.clean page：被使用页，数据没有被修改过。
- 3.dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，其中数据与磁盘数据产生不一致。
2.1.2 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。Change Buffer的意义：
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，
如果每一次都操作磁盘，会造成大量的磁盘IO。有了更改缓冲区后，我们可以在缓存池中进行合并处理，减少磁盘IO。
2.1.3 Adaptive Hash Index自适应哈希索引
Adaptive Hash Index：自适应哈希索引，用于优化对Buffer Pool数据的查询。InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，如果观察到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为干预，是系统根据情况自动完成。查看自适应哈希索引是否打开：
show variables like '%hash_index%';
参数开关：adaptive_hash_index
2.1.4 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16M，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IO。参数：
Innodb_log_buffer_size：缓冲区大小
查看缓冲区大小：show variables like '%log_buffer_size%';innodb_flush_log_at_trx__commit：日志刷新到磁盘时机。
1--日志每次事务提交时写入并刷新到磁盘；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
查看刷新时机：show variables like '%flush_log%';
2.2 磁盘结构
- 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。
参数：innodb_data_file_path- File-Per-Table Tablespaces：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。
参数：innodb_file_per_table- General Tabelspaces：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。
创建表空间语法：create tablespace 表空间名 add datafile '文件名.ibd' engine=innodb;
指定表空间：create table ... tablespace 表空间名；- Undo Tablespace：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(undo001,undo002初始大小16M)，用于存储undo log日志。
- Temporary Tablespace：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。
- Doublewrite Buffer Files：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。
- 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 log buffer)和重做日志文件(redo log)，
前者是在内存中，后者是在磁盘中。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和ib_logfile1
2.3 后台线程
将InnoDB存储引擎缓存池中的数据在合适的时机从内存刷新到磁盘文件中。
分类：
- 1.Master Thread:核心后台线程，负责调度其他线程，还负责将缓存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 | 负责将缓冲区内容刷新到磁盘 |
- 3.Purge Thread：主要用于回收事务已经提交的undo log，在事务提交后，undo log可能不用了，就用它回收。
- 4.Page Cleaner Thread：协助Master Thread刷新脏页到磁盘的线程，可以减轻Master Thread的工作压力，减少阻塞。
三、InnoDB事务原理
3.1 事务
事务是一组操作的集合，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，既这些操作要么同时成功，要么同时失败。
四大特性（ACID）:
- 原子性：事务时不可分割的最小操作单元，要么全部成功或者全部失败
- 一致性：事务完成时，必须使所有数据都保持一致状态
- 隔离性：数据库系统提供隔离机制，保证事务在不受外部并发操作影响的独立环境下yunx
- 持久性：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
注：
事务的原子性、一致性和持久性是由Redo Log和Undo Log两个日志文件保障的。
隔离性是由InnoDB存储引擎中锁机制和MVCC保障的。
3.2 Redo Log
Redo Log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。
该日志由重做日志缓冲(redo log buffer) 和 重做日志文件(redo log file) 两部分组成，前者在内存中，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，进行恢复数据恢复使用。
3.3 Undo Log
回滚日志，用于记录数据被修改前的信息，作用包含两个：提供回滚和MVCC(多版本并发控制)。
undo log和redo log记录物理日志不同，它是逻辑日志。可以认为当删除一条记录时，undo log中会记录一条对应的插入记录，反之依然，当跟新一条记录时，
它记录一条对应相反的跟新记录。当执行回滚时，就可以从undo log中的逻辑记录读取到相应的内容并回滚。
undo log销毁：undo log在事务执行时产生，事务提交时并不会删除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。
四、MVCC多版本并发控制
4.1 基本概念
- 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。对于日常的操作，如：select ...lock in share mode(共享锁)，select ...for update、insert、delete(排他锁)都是一种当前读。
- 快照读：简单的select(不加锁)就是快照读，快照读，读取的时记录数据的可见版本，又可能是历史数据，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。
serialozable：快照读会退化为当前读。- 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提供一个非阻塞读功能。MVCC的具体实现原理，还要依赖于数据库记录中：三个隐式字段、undo log日志、readView。
4.2 实现原理
4.2.1 隐藏字段
| 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 |
4.2.2 Undo Log
回滚日志，在insert、update、delete操作的时候产生的便于数据回滚的日志。
当insert操作时，产生的undo log日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被立刻删除。
当update和delete操作时，产生的undo log日志不仅在回滚时需要，在快照时也需要，不会被立刻删除。
4.2.3 Undo Log版本链
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。
4.2.4 ReadView
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事务(未提交的)ID。
ReadView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 |
版本链数据访问规则
不同隔离级别，生成ReadView时机不同：
- Read Committed：在事务中每一次执行快照读时生成ReadView。
- Repeatable Read：仅在事务中第一从执行快照读时生成ReadView，后续复用该ReadView。
4.2.5 原理分析-RC级别
RC隔离级别下，在事务中每一次执行快照读时生成ReadView。(对照版本链数据访问规则分析)
4.2.6 原理分析-RR级别
RR隔离级别下，仅在事务中第一次执行快照读时产生ReadView,后续复用该ReadView。(对照版本链数据访问规则分析)
