文章目录

    • 本章学习目标
    • 第1节 MySQL体系架构
      • 一、网络连接层
      • 二、服务层(MySQL Server)
      • 三、存储引擎层(Pluggable Storage Engines)
      • 四、系统文件层(File System)
    • 第2节 MySQL运行机制
      • 一、建立连接
      • 二、查询缓存
      • 三、解析器
      • 四、查询优化器
      • 五、查询执行引擎负责执行 SQL 语句

本章学习目标

  • MySQL架构原理和存储机制
  • MySQL体系结构(内存结构、磁盘结构)、SQL运行机制、存储引擎、Undo/Redo Log等等
  • MySQL索引存储机制和工作原理

第1节 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。

一、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端编程技术,例如常见的 Java、C、Python、.NET等,它们通过各自API技术与MySQL建立连接。

二、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。

三、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。

四、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。

第2节 MySQL运行机制

一、建立连接

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;

二、查询缓存

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

三、解析器

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”。

四、查询优化器

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 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)

五、查询执行引擎负责执行 SQL 语句

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
    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