InnoDB的內(nèi)存結(jié)構(gòu)及特性

?InnoDB存儲引擎支持事務(wù)，其設(shè)計目標(biāo)主要面向在線事務(wù)處理(OLTP)的應(yīng)用。其特點是行鎖設(shè)計、支持外鍵，并支持非鎖定讀，即默認(rèn)讀操作不會產(chǎn)生鎖。

?InnoDB通過使用多版本并發(fā)控制(MVCC)來獲取高并發(fā)性，并且實現(xiàn)了SQL標(biāo)準(zhǔn)的4中隔離級別，默認(rèn)為REPEATABLE級別。同時，使用一種被稱為next-key-locking的策略來避免幻讀現(xiàn)象的產(chǎn)生。除此之外，InnoDB存儲引擎還提供了插入緩沖(insert buffer)、二次寫(double write)、自適應(yīng)哈希索引(adaptive hash index)、預(yù)讀(read ahead)等高性能和高可用的功能。

緩沖池

?InnoDB存儲引擎是基于磁盤存儲的，并將其中的記錄按照頁的方式進行管理。但是由于CPU速度和磁盤速度之間的鴻溝，基于磁盤的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常使用緩沖池記錄來提高數(shù)據(jù)庫的的整體性能。

?在數(shù)據(jù)庫中進行讀取操作，首先將從磁盤中讀到的頁放在緩沖池中，下次再讀相同的頁中時，首先判斷該頁是否在緩沖池中。若在緩沖池中，稱該頁在緩沖池中被命中，直接讀取該頁。否則，讀取磁盤上的頁。

?對于數(shù)據(jù)庫中頁的修改操作，則首先修改在緩沖池中的頁，然后再以一定的頻率刷新到磁盤上。頁從緩沖池刷新回磁盤的操作并不是在每次頁發(fā)生更新時觸發(fā)，而是通過一種稱為CheckPoint的機制刷新回磁盤。

?所以，緩沖池的大小直接影響著數(shù)據(jù)庫的整體性能，可以通過配置參數(shù)innodb_buffer_pool_size來設(shè)置。

?具體來看，緩沖池中緩存的數(shù)據(jù)頁類型有：索引頁、數(shù)據(jù)頁、undo頁、插入緩沖(insert buffer)、自適應(yīng)哈希索引(adaptive hash index)、InnoDB存儲的鎖信息(lock info)和數(shù)據(jù)字典信息(data dictionary)。

?在架構(gòu)圖上可以看到，InnoDB存儲引擎的內(nèi)存區(qū)域除了有緩沖池之外，還有重做日志緩沖和額外內(nèi)存池。InnoDB存儲引擎首先將重做日志信息先放到這個緩沖區(qū)中，然后按照一定頻率將其刷新到重做日志文件中。重做日志緩沖一般不需要設(shè)置的很大，該值可由配置參數(shù)innodb_log_buffer_size控制。

數(shù)據(jù)頁和索引頁

?Page是Innodb存儲的最基本結(jié)構(gòu)，也是Innodb磁盤管理的最小單位，與數(shù)據(jù)庫相關(guān)的所有內(nèi)容都存儲在Page結(jié)構(gòu)里。Page分為幾種類型，數(shù)據(jù)頁和索引頁就是其中最為重要的兩種類型。

插入緩沖(Insert Buffer)

?我們都知道，在InnoDB引擎上進行插入操作時，一般需要按照主鍵順序進行插入，這樣才能獲得較高的插入性能。當(dāng)一張表中存在非聚簇的且不唯一的索引時，在插入時，數(shù)據(jù)頁的存放還是按照主鍵進行順序存放，但是對于非聚簇索引葉節(jié)點的插入不再是順序的了，這時就需要離散的訪問非聚簇索引頁，由于隨機讀取的存在導(dǎo)致插入操作性能下降。

?InnoDB為此設(shè)計了Insert Buffer來進行插入優(yōu)化。對于非聚簇索引的插入或者更新操作，不是每一次都直接插入到索引頁中，而是先判斷插入的非聚集索引是否在緩沖池中，若在，則直接插入；若不在，則先放入到一個Insert Buffer中?？此茢?shù)據(jù)庫這個非聚集的索引已經(jīng)查到葉節(jié)點，而實際沒有，這時存放在另外一個位置。然后再以一定的頻率和情況進行Insert Buffer和非聚簇索引頁子節(jié)點的合并操作。這時通常能夠?qū)⒍鄠€插入合并到一個操作中，這樣就大大提高了對于非聚簇索引的插入性能。

兩次寫(Double Write)

?如果說Insert Buffer給InnoDB存儲引擎帶來了性能上的提升，那么Double Write帶給InnoDB存儲引擎的是數(shù)據(jù)頁的可靠性。

 

?如上圖所示，Double Write由兩部分組成，一部分是內(nèi)存中的double write buffer，大小為2MB，另一部分是物理磁盤上共享表空間連續(xù)的128個頁，大小也為2MB。在對緩沖池的臟頁進行刷新時，并不直接寫磁盤，而是通過memcpy函數(shù)將臟頁先復(fù)制到內(nèi)存中的該區(qū)域，之后通過doublewrite buffer再分兩次，每次1MB順序地寫入共享表空間的物理磁盤上，然后馬上調(diào)用fsync函數(shù)，同步磁盤，避免操作系統(tǒng)緩沖寫帶來的問題。在完成doublewrite頁的寫入后，再講doublewirite buffer中的頁寫入各個表空間文件中。

?如果操作系統(tǒng)在將頁寫入磁盤的過程中發(fā)生了崩潰，在恢復(fù)過程中，InnoDB存儲引擎可以從共享表空間中的doublewrite中找到該頁的一個副本，將其復(fù)制到表空間文件中，再應(yīng)用重做日志。

重做日志(Redo Log Buffer)

?當(dāng)緩沖池中的頁的版本比磁盤要新時，數(shù)據(jù)庫需要將新版本的頁從緩沖池刷新到磁盤。但是如果每次一個頁發(fā)送變化，就進行刷新，那么性能開發(fā)是非常大的，于是InnoDB采用了Write Ahead Log策略，即當(dāng)事務(wù)提交時，先寫重做日志，然后再擇時將臟頁寫入磁盤。如果發(fā)生宕機導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，就通過重做日志進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

 

?InnoDB存儲引擎會首先將重做日志信息先放入重做日志緩沖中，然后再按照一定頻率將其刷新到重做日志文件。重做日志緩沖一般不需要設(shè)置得很大，因為一般情況每一秒鐘都會講重做日志緩沖刷新到日志文件中?？赏ㄟ^配置參數(shù)innodb_log_buffer_size控制，默認(rèn)為8MB。

?除了每秒刷新機制之外，每次事務(wù)提交時重做日志緩沖也會刷新到日志中。InnoDB是事務(wù)的存儲引擎，其通過Force Log at Commit機制實現(xiàn)事務(wù)的持久性，即當(dāng)事務(wù)提交時，必須先將該事務(wù)的所有日志寫入到重做日志文件進行持久化，然后事務(wù)的提交操作完成才算完成。InnoDB的寫入機制大致入下圖所示。

?為了確保每次日志都寫入到重做日志文件，在每次講重做日志緩沖寫入重做日志后，必須調(diào)用一次fsync操作，將緩沖文件從文件系統(tǒng)緩存中真正寫入磁盤。

?可以通過innodb_flush_log_at_trx_commit來控制重做日志刷新到磁盤的策略。該參數(shù)默認(rèn)值為1，表示事務(wù)提交必須進行一次fsync操作，還可以設(shè)置為0和2。0表示事務(wù)提交時不進行寫入重做日志操作，該操作只在主線程中完成，2表示提交時寫入重做日志，但是只寫入文件系統(tǒng)緩存，不進行fsync操作。由此可見，設(shè)置為0時，性能最高，但是喪失了事務(wù)的一致性。

自適應(yīng)哈希索引(Adaptive Hash Index)

?InnoDB會根據(jù)訪問的頻率和模式，為熱點頁建立哈希索引，來提高查詢效率。InnoDB存儲引擎會監(jiān)控對表上各個索引頁的查詢，如果觀察到建立哈希索引可以帶來速度上的提升，則建立哈希索引，所以叫做自適應(yīng)哈希索引。

?自適應(yīng)哈希索引是通過緩沖池的B+樹頁構(gòu)建而來，因此建立速度很快，而且不需要對整張數(shù)據(jù)表建立哈希索引。其有一個要求，即對這個頁的連續(xù)訪問模式必須是一樣的，也就是說其查詢的條件(WHERE)必須完全一樣，而且必須是連續(xù)的。

鎖信息(lock info)

?我們都知道，InnoDB存儲引擎會在行級別上對表數(shù)據(jù)進行上鎖。不過InnoDB也會在數(shù)據(jù)庫內(nèi)部其他很多地方使用鎖，從而允許對多種不同資源提供并發(fā)訪問。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使用鎖是為了支持對共享資源進行并發(fā)訪問，提供數(shù)據(jù)的完整性和一致性。關(guān)于鎖的具體知識我們之后再進行詳細(xì)學(xué)習(xí)。

數(shù)據(jù)字典信息(Data Dictionary)

?InnoDB有自己的表緩存，可以稱為表定義緩存或者數(shù)據(jù)字典。當(dāng)InnoDB打開一張表，就增加一個對應(yīng)的對象到數(shù)據(jù)字典。

?數(shù)據(jù)字典是對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)、庫對象、表對象等的元信息的集合。在MySQL中，數(shù)據(jù)字典信息內(nèi)容就包括表結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫名或表名、字段的數(shù)據(jù)類型、視圖、索引、表字段信息、存儲過程、觸發(fā)器等內(nèi)容。MySQL INFORMATION_SCHEMA庫提供了對數(shù)據(jù)局元數(shù)據(jù)、統(tǒng)計信息、以及有關(guān)MySQL server的訪問信息（例如：數(shù)據(jù)庫名或表名，字段的數(shù)據(jù)類型和訪問權(quán)限等）。該庫中保存的信息也可以稱為MySQL的數(shù)據(jù)字典。