深入理解SQL原理：一條SQL查詢語句是如何執(zhí)行的？

本篇文章將通過一條 SQL 的執(zhí)行過程來介紹 MySQL 的基礎(chǔ)架構(gòu)。

首先有一個(gè) user_info 表，表里有一個(gè) id 字段，執(zhí)行下面這條查詢語句：

select * from user_info where id = 1;

返回結(jié)果為：

+----+----------+----------+--------+------+---------------------+---------------------+
| id | username | password | openid | role | create_time         | update_time         |
+----+----------+----------+--------+------+---------------------+---------------------+
| 1  | 武培軒   | 123      | 1      |    1 | 2019-08-29 00:29:08 | 2019-08-29 00:29:08 |
+----+----------+----------+--------+------+---------------------+---------------------+

下面給出 MySQL 的基本架構(gòu)示意圖，可以看出 SQL 語句在 MySQL 的各個(gè)模塊中的執(zhí)行過程。

MySQL 基本架構(gòu)

大體上，MySQL 分為 Server 層和存儲(chǔ)引擎層兩部分。

Server 層包括連接器、查詢緩存、分析器、執(zhí)行器等，以及所有的內(nèi)置函數(shù)（如日期、時(shí)間、數(shù)學(xué)和加密函數(shù)等）和跨存儲(chǔ)引擎的功能（如存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器、視圖）。

存儲(chǔ)引擎層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和提取，支持 InnoDB、MyISAM、Memory 等多個(gè)存儲(chǔ)引擎。MySQL 5.5.5 版本后默認(rèn)存儲(chǔ)存儲(chǔ)引擎是 InnoDB。

1.連接器（Connector）

在查詢 SQL 語句前，肯定要先建立與 MySQL 的連接，這就是由連接器來完成的。連接器負(fù)責(zé)跟客戶端建立連接、獲取權(quán)限、維持和管理連接。連接命令為：

mysql -h$ip -P$port -u$user -p     

輸入密碼，驗(yàn)證通過后，連接器會(huì)到權(quán)限表里面查出你擁有的權(quán)限，之后這個(gè)連接里面的權(quán)限判斷邏輯，都將依賴于此時(shí)讀到的權(quán)限，一個(gè)用戶成功建立連接后，即使管理員對(duì)這個(gè)用戶的權(quán)限做了修改，也不會(huì)影響已經(jīng)存在連接的權(quán)限，修改完后，只有再新建的連接才會(huì)使用新的權(quán)限設(shè)置。

連接完成后，如果你沒有后續(xù)的動(dòng)作，這個(gè)連接就處于空閑狀態(tài)，你可以在?show processlist?命令中看到它。結(jié)果如下：

+----+------+----------------+------------------+---------+------+----------+------------------+
| Id | User | Host           | db               | Command | Time | State    | Info             |
+----+------+----------------+------------------+---------+------+----------+------------------+
|  3 | root | localhost:2790 | NULL             | Sleep   | 5878 |          | NULL             |
|  4 | root | localhost:2791 | springcloud_sell | Sleep   | 5838 |          | NULL             |
|  7 | root | localhost:2900 | springcloud_sell | Sleep   | 5838 |          | NULL             |
| 10 | root | localhost:3627 | springcloud_sell | Query   |    0 | starting | show processlist |
+----+------+----------------+------------------+---------+------+----------+------------------+

客戶端如果太長(zhǎng)時(shí)間沒動(dòng)靜，連接器就會(huì)自動(dòng)將它斷開；這個(gè)時(shí)間是由參數(shù) wait_timeout 控制的，默認(rèn)值是8小時(shí)。如果在連接被斷開之后，客戶端再次發(fā)送請(qǐng)求的話，就會(huì)收到一個(gè)錯(cuò)誤提醒：Lost connection to MySQL server during query。

長(zhǎng)連接和短連接

• 數(shù)據(jù)庫里面，長(zhǎng)連接是指連接成功后，如果客戶端持續(xù)有請(qǐng)求，則一直使用同一個(gè)連接。
• 短連接則是指每次執(zhí)行完很少的幾次查詢就斷開連接，下次查詢?cè)僦匦陆⒁粋€(gè)。

建立連接的過程通常是比較復(fù)雜的，建議在使用中要盡量減少建立連接的動(dòng)作，盡量使用長(zhǎng)連接。但是全部使用長(zhǎng)連接后，有時(shí)候 MySQL 占用內(nèi)存漲得特別快，這是因?yàn)?MySQL 在執(zhí)行過程中臨時(shí)使用的內(nèi)存是管理在連接對(duì)象里面的。這些資源會(huì)在連接斷
開的時(shí)候才釋放。所以如果長(zhǎng)連接累積下來，可能導(dǎo)致內(nèi)存占用太大，被系統(tǒng)強(qiáng)行殺掉（OOM），從現(xiàn)象看就是 MySQL 異常重啟了。

怎么解決這個(gè)問題呢？可以考慮以下兩種方案：

1. 定期斷開長(zhǎng)連接。使用一段時(shí)間，或者程序里面判斷執(zhí)行過一個(gè)占用內(nèi)存的大查詢后，斷開連接，之后要查詢?cè)僦剡B。

2. MySQL 5.7 以上版本，可以在每次執(zhí)行一個(gè)比較大的操作后，通過執(zhí)行 mysql_reset_connection 來重新初始化連接資源。這個(gè)過程不需要重連和重新做權(quán)限驗(yàn)證，但是會(huì)將連接恢復(fù)到剛剛創(chuàng)建完時(shí)的狀態(tài)。

   2.查詢緩存（Query Cache）

在建立連接后，就開始執(zhí)行 select 語句了，執(zhí)行前首先會(huì)查詢緩存。

MySQL 拿到查詢請(qǐng)求后，會(huì)先查詢緩存，看是不是執(zhí)行過這條語句。執(zhí)行過的語句及其結(jié)果會(huì)以 key-value 對(duì)的形式保存在一定的內(nèi)存區(qū)域中。key 是查詢的語句，value 是查詢的結(jié)果。如果你的查詢能夠直接在這個(gè)緩存中找到 key，那么這個(gè)
value 就會(huì)被直接返回給客戶端。

如果語句不在查詢緩存中，就會(huì)繼續(xù)后面的執(zhí)行階段。執(zhí)行完成后，執(zhí)行結(jié)果會(huì)被存入查詢緩存中。如果查詢命中緩存，MySQL 不需要執(zhí)行后面的復(fù)雜操作，就可以直接返回結(jié)果，會(huì)提升效率。

但是查詢緩存的失效非常頻繁，只要有對(duì)一個(gè)表的更新，這個(gè)表上所有的查詢緩存都會(huì)被清空。對(duì)于更新壓力大的數(shù)據(jù)庫來說，查詢緩存的命中率會(huì)非常低。如果業(yè)務(wù)中需要有一張靜態(tài)表，很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)更新一次。比如，一個(gè)系統(tǒng)配置表，那這張表上的查詢才適合使用查詢緩存。MySQL 提供了這種按需使用的方式?？梢詫?shù) query_cache_type 設(shè)置成 DEMAND，對(duì)于默認(rèn)的 SQL 語句都將不使用查詢緩存。而對(duì)于你確定要使用查詢緩存的語句，可以用 SQL_CACHE 顯式指定，如下：

mysql> select SQL_CACHE * from user_info where id = 1;

MySQL 8.0 版本將查詢緩存的功能刪除了。

3.分析器（Analyzer）

如果查詢緩存未命中，就要開始執(zhí)行語句了。首先，MySQL 需要對(duì) SQL 語句進(jìn)行解析。

分析器先會(huì)做詞法分析。SQL 語句是由多個(gè)字符串和空格組成的，MySQL 需要識(shí)別出里面的字符串分別是什么，代表什么。MySQL 從你輸入的 select 這個(gè)關(guān)鍵字識(shí)別出來，這是查詢語句。它也要把字符串 user_info 識(shí)別成表名，把字符串 id 識(shí)別成列名。之后就要做語法分析。根據(jù)詞法分析的結(jié)果，語法分析器會(huì)根據(jù)語法規(guī)則，判斷輸入的 SQL 語句是否滿足 MySQL 語法。

如果你 SQL 語句不對(duì)，就會(huì)收到?You have an error in your SQL syntax?的錯(cuò)誤提醒，比如下面這個(gè)語句 from 寫成了 form。

mysql> select * form user_info  where id = 1;
1064 - You have an error in your SQL syntax; check the manual that corresponds to your MySQL server version for the right syntax to use near 'form user_info  where id = 1' at line 1

一般語法錯(cuò)誤會(huì)提示第一個(gè)出現(xiàn)錯(cuò)誤的位置，所以要關(guān)注的是緊接?use near?的內(nèi)容。

4.優(yōu)化器（Optimizer）

經(jīng)過分析器的詞法分析和語法分析后，還要經(jīng)過優(yōu)化器的處理。

優(yōu)化器是在表里面有多個(gè)索引的時(shí)候，決定使用哪個(gè)索引；或者在一個(gè)語句有多表關(guān)聯(lián)（join）的時(shí)候，決定各個(gè)表的連接順序。比如你執(zhí)行下面這樣的語句，這個(gè)語句是執(zhí)行兩個(gè)表的 join：

mysql> SELECT * FROM order_master JOIN order_detail USING (order_id) WHERE order_master.pay_status = 0 AND order_detail.detail_id = 1558963262141624521;

既可以先從表 order_master 里面取出 pay_status = 0 的記錄的 order_id 值，再根據(jù) order_id 值關(guān)聯(lián)到表 order_detail，再判斷 order_detail 里面 detail_id 的值是否等于 1558963262141624521。

也可以先從表 order_detail 里面取出 detail_id = 1558963262141624521 的記錄的 order_id 值，再根據(jù) order_id 值關(guān)聯(lián)到 order_master，再判斷 order_master 里面 pay_status 的值是否等于 0。

這兩種執(zhí)行方法的邏輯結(jié)果是一樣的，但是執(zhí)行的效率會(huì)有不同，而優(yōu)化器的作用就是決定選擇使用哪一個(gè)方案。優(yōu)化器階段完成后，這個(gè)語句的執(zhí)行方案就確定下來了，然后進(jìn)入執(zhí)行器階段。

5.執(zhí)行器（Actuator）

MySQL 通過分析器知道了要做什么，通過優(yōu)化器知道了該怎么做，于是就進(jìn)入了執(zhí)行器階段，開始執(zhí)行語句。

開始執(zhí)行的時(shí)候，要先判斷一下你對(duì)這個(gè)表 user_info 有沒有執(zhí)行查詢的權(quán)限，如果沒有，就會(huì)返回沒有權(quán)限的錯(cuò)誤，如下所示 (如果命中查詢緩存，會(huì)在查詢緩存返回結(jié)果的時(shí)候，做權(quán)限驗(yàn)證。查詢也會(huì)在優(yōu)化器之前調(diào)用 precheck 驗(yàn)證權(quán)限)。

mysql> select * from user_info where id = 1;
ERROR 1142 (42000): SELECT command denied to user 'wupx'@'localhost' for table 'user_info'

如果有權(quán)限，就打開表繼續(xù)執(zhí)行。打開表的時(shí)候，執(zhí)行器就會(huì)根據(jù)表的引擎定義，去使用這個(gè)引擎提供的接口。比如我們這個(gè)例子中的表 user_info 中，id 字段沒有索引，那么執(zhí)行器的執(zhí)行流程是這樣的：

1. 調(diào)用 InnoDB 引擎接口取這個(gè)表的第一行，判斷 id 值是不是 1，如果不是則跳過，如果是則將這行存在結(jié)果集中；
2. 調(diào)用引擎接口取下一行，重復(fù)相同的判斷邏輯，直到取到這個(gè)表的最后一行。
3. 執(zhí)行器將上述遍歷過程中所有滿足條件的行組成的記錄集作為結(jié)果集返回給客戶端。

對(duì)于有索引的表，第一次調(diào)用的是取滿足條件的第一行這個(gè)接口，之后循環(huán)取滿足條件的下一行這個(gè)接口。

數(shù)據(jù)庫的慢查詢?nèi)罩局杏?rows_examined 字段，表示這個(gè)語句執(zhí)行過程中掃描了多少行。這個(gè)值就是在執(zhí)行器每次調(diào)用引擎獲取數(shù)據(jù)行的時(shí)候累加的。在有些場(chǎng)景下，執(zhí)行器調(diào)用一次，在引擎內(nèi)部則掃描了多行，因此引擎掃描行數(shù)跟 rows_examined 并不是完全相同的。

總結(jié)

主要通過對(duì)一個(gè) SQL 語句完整執(zhí)行過程進(jìn)行講解，介紹 MySQL 的邏輯架構(gòu)，MySQL 主要包括連接器、查詢緩存、分析器、優(yōu)化器、執(zhí)行器這幾個(gè)模塊。