MySQL数据库入门到大蛇尚硅谷宋红康老师笔记 高级篇 part 4

第04章_逻辑架构

1. 逻辑架构剖析

首先MySQL是典型的C/S架构，即Client/Server架构，服务器端程序使用的mysqld。
不论客户端进程和服务器进程是采用哪种方式进行通信，最后实现的效果都是：客户端进程向服务器进程发送一段文本（SQL语句），服务器进程处理后再向客户端进程发送一段文本（处理结果）。
那服务器进程对客户端进程发送的请求做了什么处理，才能产生最后的处理结果呢？这里以查询请求为例展示：

 1.2 Connectors

Connectors，指的是不同语言中与SQL的交互。MySQL首先是一个网络程序，在TCP之上定义了自己的应用层协议。所以要使用MySQL，我们可以编写代码，跟MySQLSerVer建立TCP连接，之后按照其定义好的协议进行交互。
或者比较方便的办法是调用SDK，比如NativeCAPI、JDBC、PHP等各语言MySQLConnector，或者通过ODBC。但通过SDK来访问MySQL，本质上还是在TCP连接上通过MySQL协议跟MySQL进行交互。
接下来的MySQLServer结构可以分为如下的三层：

 1.3 第1层：连接层

系统（客户端）访问MySQL服务器前，做的第一件事就是建立TCP连接。
经过三次握手建立连接成功后，MySQL服务器对TCP传输过来的账号密码做身份认证、权限获取。
 用户名或密码不对，会收到一个Accessdeniedforuser错误，客户端程序结束执行
 用户名密码认证通过，会从权限表查出账号拥有的权限与连接关联，之后的权限判断逻辑，都将依赖于此时读到的权限
接着我们来思考一个问题
一个系统只会和MySQL服务器建立一个连接吗？只能有一个系统和MySQL服务器建立连接吗？
当然不是，多个系统都可以和MySQL服务器建立连接，每个系统建立的连接肯定不止一个。所以，为了解决TCP无限创建与TCP频繁创建销毁带来的资源耗尽、性能下降问题。MySQL服务器里有专门的TCP连接池限制连接数，采用长连接模式复用TCP连接，来解决上述问题。

 TCP连接收到请求后，必须要分配给一个线程专门与这个客户端的交互。所以还会有个线程池，去走后面的流程。每一个连接从线程池中获取线程，省去了创建和销毁线程的开销。
这些内容我们都归纳到MySQL的连接管理组件中。
所以连接管理的职责是负责认证、管理连接、获取权限信息。

1.4 第2层：服务层

第二层架构主要完成大多数的核心服务功能，如SQL接口，并完成缓存的查询，SQL的分析和优化及部分内置函数的执行。所有跨存储引擎的功能也在这一层实现，如过程、函数等。
在该层，服务器会解析查询并创建相应的内部解析树，并对其完成相应的优化：如确定查询表的顺序，是否利用索引等，最后生成相应的执行操作。
如果是SELECT语句，服务器还会查询内部的缓存。如果缓存空间足够大，这样在解决大量读操作的环境中能够很好的提升系统的性能。

SQLInterface:SQL接口
1.接收用户的SQL命令，并且返回用户需要查询的结果。比如SELECT...FROM就是调用SQLInterface
2.MySQL支持DML（数据操作语言）、DDL（数据定义语言）、存储过程、视图、触发器、自定义函数等多种SQL语言接口

·Parser:解析器
在解析器中对SQL语句进行语法分析、语义分析。将SQL语句分解成数据结构，并将这个结构传递到后续步骤，以后SQL语句的传递和处理就是基于这个结构的。如果在分解构成中遇到错误，那么就说明这个SQL语句是不合理的。
在SQL命令传递到解析器的时候会被解析器验证和解析，并为其创建谱法树，并根据数握字典丰富查询语法树，会验证该客户端是否具有执行该查询的权限。创建好语法树后，MySQL还会对SQI查询进行语法上的优化，进行查询重写。

Optimizer：查询优化器
SQL语句在语法解析之后、查询之前会使用查询优化器确定SQL语句的执行路径，生成一个执行计划。
这个执行计划表明应该使用哪些索引进行查询（全表检索还是使用索引检索），表之间的连接顺序如何，最后会按照执行计划中的步骤调用存储引擎提供的方法来真正的执行查询，并将查询结果返回给用户。

它使用”选取-投影-连接”策略进行查询。例如：
                        SELECT id,name FROM student WHERE gender ='女';
这个SELECT查询先根据WHERE语句进行选取，而不是将表全部查询出来以后再进行gender过滤。这个SELECT查询先根据id和name进行属性投影，而不是将属性全部取出以后再进行过滤，将这两个查询条件连接起来生成最终查询结果。

Caches&Buffers:查询缓存组件
MySQL内部维持着一些Cache和Buffer，比如QueryCache用来缓存一条SELECT语句的执行结果，如果能够在其中找到对应的查询结果，那么就不必再进行查询解析、优化和执行的整个过程了，直接将结果反馈给客户端。

这个缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存，记录缓存，key缓存，权限缓存等。
这个询缓存可以在不同客户端之间共享。
从MySQL5.7.20开始，不推荐使用查询缓存，并在MySQL8.0中删除。

 1.5 第3层：引擎层

和其它数据库相比，MySQL有点与众不同，它的架构可以在多种不同场景中应用并发挥良好作用，主要体现在存储引擎的架构上，插件式的存储引擎架构将查询处理和其它的系统任务以及数据的存储提取相分离。这种架构可以根据业务的需求和实际需要选择合适的存储引擎。同时开源的MySQL还允许开发人员设置自己的存储引擎。

这种高效的模块化架构为那些希望专门针对特定应用程序需求（例如数据仓库、事务处理或高可用性情况）的人提供了巨大的好处，同时享受使用一组独立于任何接口和服务的优势存储引擎。
插件式存储引引擎层（StorageEngines），真正的负责了MySQL中数据的存储和提取，对物理服务器级别维护的底层数据执行操作，服务器通过API与存储引擎进行通信。不同的存储引擎具有的功能不同，这样我们可以根据自己的实际需要进行选取。

MySQL8.0.25默认支持的存储引擎如下：

1.6 存储层 所有的数据，数据库、表的定义，表的每一行的内容，索引，都是存在 文件系统上，以 文件的方式存 在的，并完成与存储引擎的交互。当然有些存储引擎比如InnoDB，也支持不使用文件系统直接管理裸设 备，但现代文件系统的实现使得这样做没有必要了。在文件系统之下，可以使用本地磁盘，可以使用 DAS、NAS、SAN等各种存储系统。 

2. SQL执行流程!!!重要重要!!!

 

1.查询缓存：

Server如果在查询缓存中发现了这条SQL语句，就会直接将结果返回给客户端：如果没有，就进入到解析器阶段。需要说明的是，因为查询缓存往往效率不高，所以在MySQL8.0之后就抛弃了这个功能。

 MySQL拿到一个查询请求后，会先到查询缓存看看，之前是不是执行过这条语句。之前执行过的语句及其结果可能会以key-value对的形式，被直接缓存在内存中。key是查询的语句，value是查询的结果。如果你的查询能够直接在这个缓存中找到key，那么这个value就会被直接返回给客户端。如果语句不在查询缓存中，就会继续后面的执行阶段。执行完成后，执行结果会被存入查询缓存中。所以，如果查询命中缓存，MySQL不需要执行后面的复杂
操作，就可以直接返回结果，这个效率会很高。

 大多数情况查询缓存就是个鸡肋，为什么呢？看看就好
查询缓存是提前把查询结果缓存起来，这样下次不需要执行就可以直接拿到结果。需要说明的是，在 MySQL 中的查询缓存，不是缓存查询计划，而是查询对应的结果。这就意味着查询匹配的 低，只有 鲁棒性大大降 相同的查询操作才会命中查询缓存。两个查询请求在任何字符上的不同（例如：空格、注释、 大小写），都会导致缓存不会命中。因此 MySQL 的 查询缓存命中率不高。 同时，如果查询请求中包含某些系统函数、用户自定义变量和函数、一些系统表，如 mysql 、 information_schema、 performance_schema 数据库中的表，那这个请求就不会被缓存。以某些系统函数 举例，可能同样的函数的两次调用会产生不一样的结果，比如函数 NOW ，每次调用都会产生最新的当前 时间，如果在一个查询请求中调用了这个函数，那即使查询请求的文本信息都一样，那不同时间的两次 查询也应该得到不同的结果，如果在第一次查询时就缓存了，那第二次查询的时候直接使用第一次查询 的结果就是错误的！
此外，既然是缓存，那就有它 缓存失效的时候。MySQL的缓存系统会监测涉及到的每张表，只要该表的 结构或者数据被修改，如对该表使用了 INSERT 、 UPDATE 、 DELETE 、 TRUNCATE TABLE 、 TABLE 、 DROP TABLE 或 ALTER DROP DATABASE 语句，那使用该表的所有高速缓存查询都将变为无效并从高速缓存中删除！对于 更新压力大的数据库来说，查询缓存的命中率会非常低。

 第一个越大,查询缓存的碎片越多.
第二个缓存大小

如果没有命中查询缓存，就要开始真正执行语句了。首先，MySQL需要知道你要做什么，因此需要对SQL语句做解析。SQL语句的分析分为词法分析与语法分析。
分析器先做“词法分析”。你输入的是由多个字符串和空格组成的一条SQL语句，MySQL需要识别出里面的字符串分别是什么，代表什么。
MySQL从你输入的"select"这个关键字识别出来，这是一个查询语句。它也要把字符串“T"识别成“表名T"，把字符串"ID"识别成"列ID"。
接着，要做”语法分析”。根据词法分析的结果，语法分析器（比如：Bison）会根据语法规则，判断你输入的这个SQL语句是否满足MySQL语法。
如果你的语句不对，就会收到“Youhave anerrorinyourSQLsyntax"的错误提醒，比如下面这个语句from写成了"rom"。

 2. 解析器：

3. 优化器：

在解析器中对 SQL 语句进行语法分析、语义分析。

 将在10章详细阐述

在查询优化器中，可以分为逻辑查询优化阶段和物理查询优化阶段。

逻辑查询优化就是通过改变SQL语句的内容来使得SQL查询更高效，同时为物理查询优化提供更多的候选执行计划。通常采用的方式是对SQL语句进行等价变换，对查询进行重写，而查询重写的数学基础就是关系代数。对条件表达式进行等价谓词重写、条件简化，对视图进行重写，对子查询进行优化，对连接语义进行了外连接消除、嵌套连接消除等。

物理查询优化是基于关系代数进行的查询重写，而关系代数的每一步都对应着物理计算，这些物理计算往往存在多种算法，因此需要计算各种物理路径的代价，从中选择代价最小的作为执行计划。在这个阶段里，对于单表和多表连接的操作，需要高效地使用索引，提升查询效率。

在优化器中会确定 SQL 语句的执行路径，比如是根据全表检索，还是根据索引检索等。

 4. 执行器：

截止到现在，还没有真正去读写真实的表，仅仅只是产出了一个执行计划。于是就进入了 执行器阶段。

2.2 MySQL8中SQL执行原理

1. 确认profiling 是否开启 
了解查询语句底层执行的过程：select@@profiling；或者showvariables1ike‘%profiling%查看
是否开启计划。开启它可以让MySQL收集在SQL执行时所使用的资源情况，命令如下：mysql> select @@profiling;mysql> show variables like 'profiling';

profiling=0代表关闭，我们需要把profiling打开，即设置为1：
mysql> set profiling=1;
Profiling功能由MySQL会话变量：profiling控制。默认是OFF（关闭状态）。 

多次执行相同SQL查询 然后我们执行一个 SQL 查询（你可以执行任何一个 SQL 查询）： mysql> select * from employees;

查看profiles 查看当前会话所产生的所有 profiles： mysql> show profiles;  # 显示最近的几次查询

查看profile 显示执行计划，查看程序的执行步骤： mysql> show profile;

当然你也可以查询指定的 Query ID，比如： mysql> show profile for query 7;

查询 SQL 的执行时间结果和上面是一样的。 此外，还可以查询更丰富的内容： mysql> show profile cpu,block io for query 6;

vim /etc/my.cnf
然后你就可以在 /etc/my.cnf 中新增一行： query_cache_type=1
然后重启
systemctl restart mysqld

 

 

在8.0版本之后，MySQL不再支持缓存的查询。一旦数据表有更新，缓存都将清空，因此只有数据表是静态的时候，或者数据表很少发生变化时，使用缓存查询才有价值，否则如果数据表经常更新，反而增加了SQL的查询时间。 

2.3 MySQL5.7中SQL执行原理

6. 查看profile 显示执行计划，查看程序的执行步骤： mysql> show profile for query 1; mysql> show profile for query 2; 结论不言而喻。执行编号2时，比执行编号1时少了很多信息，从截图中可以看出查询语句直接从缓存中 获取数据。 

2.5 Oracle的SQL执行流程（了解）

Oracle 中采用了 共享池来判断 SQL 语句是否存在缓存和执行计划，通过这一步骤我们可以知道应该采用 硬解析还是软解析。 我们先来看下 SQL 在 Oracle 中的执行过程：

1.语法检查：检查SQL拼写是否正确，如果不正确，Oracle会报语法错误。

2.语义检查：检查SQL中的访问对象是否存在。比如我们在写SELECT语句的时候，列名写错了，系统就会提示错误。语法检查和语义检查的作用是保证SQL语句没有错误。

3.权限检查：看用户是否具备访问该数据的权限。

4.共享池检查：共享池（SharedPool）是一块内存池，最主要的作用是缓存SQL语句和该语句的执行计划。
Oracle通过检查共享池是否存在SQL语句的执行计划，来判断进行软解析，还是硬解析。那软解析和硬解析又该怎么理解呢？

在共享池中，Oracle首先对SQL语句进行Hash运算，然后根据Hash值在库缓存（Library Cache）中查找，如果存在SQL语句的执行计划，就直接拿来执行，直接进入“执行器"的环节，这就是软解析。
如果没有找到SQL语句和执行计划，Oracle就需要创建解析树进行解析，生成执行计划，进入“优化器”这个步骤，这就是硬解析。

5.   优化器：优化器中就是要进行硬解析，也就是决定怎么做，比如创建解析树，生成执行计划。

6． 执行器：当有了解析树和执行计划之后，就知道了SQL该怎么被执行，这样就可以在执行器中执行语句了。
共享池是Oracle中的术语，包括了库缓存，数据字典缓冲区等。我们上面已经讲到了库缓存区，它主要缓存SQL语句和执行计划。而数据字典缓冲区存储的是Oracle中的对象定义，比如表、视图、索引等对象。当对SQL语句进行解析的时候，如果需要相关的数据，会从数据字典缓冲区中提取。
库缓存这一个步骤，决定了SQL语句是否需要进行硬解析。为了提升SQL的执行效率，我们应该尽量避免硬解析，因为在SQL的执行过程中，创建解析树，生成执行计划是很消耗资源的。

你可能会问，如何避免硬解析，尽量使用软解析呢？在Oracle中，绑定变量是它的一大特色。绑定变量就是在SQL语句中使用变量，通过不同的变量取值来改变SQL的执行结果。这样做的好处是能提升软解析的可能性，不足之处在于可能会导致生成的执行计划不够优化，因此是否需要绑定变量还需要视情况而定。

举个例子，我们可以使用下面的查询语句：
SQL> select * from player where player_id = 10001;
你也可以使用绑定变量，如：
SQL> select * from player where player_id =:playdr_id;这两个查询语句的效率在Oracle中是完全不同的。如果你在查询player_id=10001之后，还会查询
10002、10003之类的数据，那么每一次查询都会创建一个新的查询解析。而第二种方式使用了绑定
变量，那么在第一次查询之后，在共享池中就会存在这类查询的执行计划，也就是软解析。因此，我们可以通过使用绑定变量来减少硬解析，减少Oracle的解析工作量。但是这种方式也有
缺点，使用动态SQL的方式，因为参数不同，会导致SQL的执行效率不同，同时SQL优化也会比较困难。

3.  数据库缓冲池（bufferpool)

InnoDB 存储引擎是以页为单位来管理存储空间的，我们进行的增删改查操作其实本质上都是在访问页 面（包括读页面、写页面、创建新页面等操作）。而磁盘 I/O 需要消耗的时间很多，而在内存中进行操作，效率则会高很多，为了能让数据表或者索引中的数据随时被我们所用，DBMS 会申请 占用内存来作为 数据缓冲池，在真正访问页面之前，需要把在磁盘上的页缓存到内存中的 问。

Buffer Pool 之后才可以访 这样做的好处是可以让磁盘活动最小化，从而 减少与磁盘直接进行 I/O 的时间。要知道，这种策略对提 升 SQL 语句的查询性能来说至关重要。如果索引的数据在缓冲池里，那么访问的成本就会降低很多。

3.1 缓冲池 vs 查询缓存

缓冲池和查询缓存是一个东西吗？不是。

1. 缓冲池（Buffer Pool）

首先我们需要了解在 InnoDB 存储引擎中，缓冲池都包括了哪些。 在 InnoDB 存储引擎中有一部分数据会放到内存中，缓冲池则占了这部分内存的大部分，它用来存储各种数据的缓存，如下图所示：

一个数据页的大小是16kb

对于使用InnoDB作为存储引擎的表来说，不管是用于存储用户数据的索引厂（包括聚簇索引和二级索引），还是各种系统数据，都是以页的形式存放在表空间中的，而所谓的表空间只不过是lnnoDB对文件系统上一个或几个实际文件的抽象，也就是说我们的数据说到底还是存储在磁盘上的。但是各位也都知道，磁盘的速度慢的跟乌龟一样，怎么能配得上“快如风，疾如电”的CPU呢？这里，缓冲池可以帮助我们消除CPU和磁盘之间的鸿沟。所以InnoDB存储引擎在处理客户端的请求时，当需要访问某个页的数据时，就会把完整的页的数据全部加载到内存中
也就是说即使我们只需要访问一个页的一条记录，那也需要先把整个页的数据加载到内存中。将个页加载到内存中后就可以进行读写访问了，在进行完读写访问之后并不着急把该页对应的内存空间释放掉，而是将其缓存起来，这样将来有请求再次访问该页面时，就可以省去磁盘io的开销了。

 “位置*频次"这个原则，可以帮我们对I/0访问效率进行优化。
首先，位置决定效率，提供缓冲池就是为了在内存中可以直接访问数据。
其次，频次决定优先级顺序。因为缓冲池的大小是有限的，比如磁盘有200G，但是内存只有16G，缓冲池大小只有1G，就无法将所有数据都加载到缓冲池里，这时就涉及到优先级顺序，会优先对使用频次高的热数据进行加载。

缓冲池的预读特性：
了解了缓冲池的作用之后，我们还需要了解缓冲池的另一个特性：预读。
缓冲池的作用就是提升1/0效率，而我们进行读取数据的时候存在一个“局部性原理”，也就是说我们使用了一些数据，大概率还会使用它周围的一些数据，因此采用“预读"的机制提前加载，可以减少未来可能的磁盘io操作。

2. 查询缓存

那么什么是查询缓存呢？ 查询缓存是提前把 查询结果缓存起来，这样下次不需要执行就可以直接拿到结果。需要说明的是，在 MySQL 中的查询缓存，不是缓存查询计划，而是查询对应的结果。因为命中条件苛刻，而且只要数据表 发生变化，查询缓存就会失效，因此命中率低。 

3.2缓冲池如何读取数据

缓冲池管理器会尽量将经常使用的数据保存起来，在数据库进行页面读操作的时候，首先会判断该页面是否在缓冲池中，如果存在就直接读取，如果不存在，就会通过内存或磁盘将页面存放到缓冲池中再进行读取。
缓存在数据库中的结构和作用如下图所示：

实际上，当我们对数据库中的记录进行修改的时候，首先会修改缓冲池中页里面的记录信息，然后数据库会以一定的频率刷新到磁盘上。注意并不是每次发生更新操作，都会立刻进行磁盘回写。缓冲池会采用一种叫做checkpoint的机制将数据回写到磁盘上，这样做的好处就是提升了数据库的整体性能。 

3.3查看/设置缓冲池的大小

如果你使用的是MySQLMyISAM存储引引擎，它只缓存索引l，不缓存数据，对应的键缓存参数为
key_buffer_size，你可以用它进行查看。

如果你使用的是InnoDB存储引擎，可以通过查看看innodb_buffer_pool_size变量来查看缓冲池的木小。命令如下：

show variables like 'innodb_buffer_pool_size';

你能看到此时InnoDB的缓冲池大小只有134217728/1024/1024=128MB。我们可以修改缓冲池大小，比如改为256MB，方法如下：

set global innodb_buffer_pool_size = 268435456;

3.4多个BufferPool实例

BufferPool本质是InnoDB向操作系统申请的一块连续的内存空间，在多线程环境下，访问BufferPool中的数据都需要加锁处理。在BuferPool特别大而且多线程并发访问特别高的情况下，单一的BufferPool可能会影响请求的处理速度。所以在BufferPool特别大的时候，我们可以把它们拆分成若干个小的BufferPool，每个BufferPool都称为一个实例，它们都是独立的，独立的去申请内存空间，独立的管理各种链表。所以在多线程并发访问时并不会相互影响，从而提高并发处理能力。
我们可以在服务器启动的时候通过设置innodb_buffer_pool_instances的值来修改BufferPool实例的个数，比方说这样：

show variables like 'innodb_buffer_pool_instances';可以找到现在pool是多少[server]
innodb_buffer_pool_instances =  2
#这样就表明我们要创建2个BufferPool实例。

 那每个BufferPool实例实际占多少内存空间呢？其实使用这个公式算出来的：
innodb_buffer_pool_size/innodb_buffer_pool_instances
也就是总共的大小除以实例的个数，结果就是每个BufferPool实例占用的大小。

 3.5引申问题

BufferPool是MySQL内存结构中十分核心的一个组成，你可以先把它想象成一个黑盒子。

 这个过程看似没啥问题，实则是有问题的。假设我们修改BufferPool中的数据成功，但是还没来得及将数据刷入磁盘MySQL就挂了怎么办？按照上图的逻辑，此时更新之后的数据只存在于BufferPool中，如果此时MySQL岩机了，这部分数据将会永久地丢失；
再者，我更新到一半突然发生错误了，想要回滚到更新之前的版本，该怎么办？连数据持久化的保证、事务回滚都做不到还谈什么崩溃恢复？
答案：RedoLog&UndoLog