前言

整理了一些 MySQL 数据库相关流程图/原理图。做一下笔记，大家一起学习。

1. MySQL 主从复制原理图

MySQL 主从复制原理是大厂后端的高频面试题，了解 MySQL 主从复制原理非常有必要。

主从复制原理简言之，就三步曲，如下：

• 主数据库有个 bin-log 二进制文件，记录了所有增删改 SQL 语句（binlog线程）；

• 从数据库把主数据库的 bin-log 文件的 SQL 语句复制过来（I/O线程）；

• 从数据库的 relay-log 重做日志文件中再执行一次这些 SQL 语句（SQL 执行线程）。

如下图所示：

上图主从复制分了五个步骤进行：

• 步骤一：主库的更新事件（update、insert、delete）被写到 binlog；

• 步骤二：从库发起连接，连接到主库；

• 步骤三：此时主库创建一个 binlog dump thread，把 binlog 的内容发送到从库；

• 步骤四：从库启动之后，创建一个 I/O 线程，读取主库传过来的 binlog 内容并写入到 relay log；

• 步骤五：还会创建一个 SQL 线程，从 relay log 里面读取内容，从 Exec_Master_Log_Pos 位置开始执行读取到的更新事件，将更新内容写入到 slave 的 DB。

2. MySQL 逻辑架构图

如果能在脑海中构建出 MySQL 各组件之间如何协同工作的架构图，就会有助于深入理解 MySQL 服务器。

MySQL 逻辑架构图主要分三层：

第一层负责连接处理，授权认证，安全等。

• 每个客户端连接都会在服务器进程中拥有一个线程，服务器维护了一个线程池，因此不需要为每一个新建的连接创建或者销毁线程；

• 当客户端连接到Mysql服务器时，服务器对其进行认证，通过用户名和密码认证，也可以通过SSL证书进行认证；

• 一旦客户端连接成功，服务器会继续验证客户端是否具有执行某个特定查询的权限。

第二层负责编译并优化SQL。

• 这一层包括查询解析，分析，优化，缓存以及所有的的内置函数；

• 对于SELECT语句，在解析查询前，服务器会先检查查询缓存，如果能在其中找到对应的查询结果，则无需再进行查询解析、优化等过程，直接返回查询结果；

• 所有跨存储引擎的功能都在这一层实现:存储过程，触发器，视图。

第三层是存储引擎。

• 存储引擎负责在 MySQL 中存储数据、提取数据；

• 存储引擎通过 API 与上层进行通信，这些 API 屏蔽了不同存储引擎之间的差异，使得这些差异对上层查询过程透明；

• 存储引擎不会去解析 SQL，不同存储引擎之间也不会相互通信，而只是简单地响应上层服务器的请求。

3. InnoDB 逻辑存储结构图

从 InnoDB 存储引擎的逻辑存储结构看，所有数据都被逻辑地存放在一个空间中，称之为表空间（tablespace）。表空间又由段（segment）、区（extent）、页（page）组成。页在一些文档中有时候也称为块（block）。

InnoDB 逻辑存储结构图如下： 

表空间（tablespace）

• 表空间是 Innodb 存储引擎逻辑的最高层，所有的数据都存放在表空间中；

• 默认情况下 Innodb 存储引擎有一个共享表空间 ibdata1，即所有数据都存放在这个表空间中内；

• 如果启用了 innodb_file_per_table 参数，需要注意的是每张表的表空间内存放的只是数据、索引、和插入缓冲 Bitmap，其他类的数据，比如回滚（undo）信息、插入缓冲检索页、系统事物信息，二次写缓冲等还是放在原来的共享表内的。

段（segment）

• 表空间由段组成，常见的段有数据段、索引段、回滚段等；

• InnoDB 存储引擎表是索引组织的，因此数据即索引，索引即数据。数据段即为 B+ 树的叶子结点，索引段即为 B+ 树的非索引结点；

• 在 InnoDB 存储引擎中对段的管理都是由引擎自身所完成，DBA 不能也没必要对其进行控制。

区（extent）

• 区是由连续页组成的空间，在任何情况下每个区的大小都为 1MB；

• 为了保证区中页的连续性，InnoDB 存储引擎一次从磁盘申请 4~5 个区

• 默认情况下，InnoDB 存储引擎页的大小为 16KB，一个区中一共 64 个连续的区。

页（page）

• 页是 InnoDB 磁盘管理的最小单位；

• 在 InnoDB 存储引擎中，默认每个页的大小为 16KB；

• 从 InnoDB1.2.x 版本开始，可以通过参数 innodb_page_size 将页的大小设置为 4K、8K、16K；

• InnoDB 存储引擎中，常见的页类型有：数据页、undo页、系统页、事务数据页、插入缓冲位图页、插入缓冲空闲列表页等。

4. InnoDB页结构相关示意图

4.1 InnoDB 页结构单体图

InnoDB 数据页由以下 7 部分组成，如图所示：

其中 File Header、Page Header、File Trailer 的大小是固定的，分别为 38、56、8 字节，这些空间用来标记该页的一些信息，如 Checksum，数据页所在 B+ 树索引的层数等。User Records、Free Space、Page Directory 这些部分为实际的行记录存储空间，因此大小是动态的。

下边我们用表格的方式来大致描述一下这 7 个部分：

4.2 记录在页中的存储流程图

每当我们插入一条记录，都会从 Free Space 部分，也就是尚未使用的存储空间中申请一个记录大小的空间划分到 User Records 部分，当 Free Space 部分的空间全部被 User Records 部分替代掉之后，也就意味着这个页使用完了，如果还有新的记录插入的话，就需要去申请新的页了，这个过程的图示如下：

4.3 不同Innodb页构成的数据结构图

一张表中可以有成千上万条记录，一个页只有 16KB，所以可能需要好多页来存放数据。不同页其实构成了一条双向链表，File Header 是 InnoDB 页的第一部分，它的 FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 就分别代表本页的上一个和下一个页的页号，即链表的上一个以及下一个节点指针。

5. Innodb索引结构图

我们先看一份数据表样本，假设 Col1 是主键，如下：

5.1 B+ 树聚集索引结构图

• 聚集索引就是以主键创建的索引；

• 聚集索引在叶子节点存储的是表中的数据。

5.2 非聚集索引结构图

假设索引列为 Col3，索引结构图如下： 

• 非聚集索引就是以非主键创建的索引；

• 非聚集索引在叶子节点存储的是主键和索引列；

• 使用非聚集索引查询出数据时，拿到叶子上的主键再去查到想要查找的数据。(拿到主键再查找这个过程叫做回表)；

• 假设所查询的列，刚好都是索引对应的列，不用再回表查，那么这个索引列，就叫覆盖索引。

5.3 InnoDB 锁类型思维导图

5.4 加锁机制

乐观锁与悲观锁是两种并发控制的思想，可用于解决丢失更新问题。

乐观锁

• 每次去取数据，都很乐观，觉得不会出现并发问题；

• 因此，访问、处理数据每次都不上锁；

• 但是在更新的时候，再根据版本号或时间戳判断是否有冲突，有则处理，无则提交事务。

悲观锁

• 每次去取数据，很悲观，都觉得会被别人修改，会有并发问题；

• 因此，访问、处理数据前就加排他锁；

• 在整个数据处理过程中锁定数据，事务提交或回滚后才释放锁。

5.5 锁粒度

• 表锁： 开销小，加锁快；锁定力度大，发生锁冲突概率高，并发度最低;不会出现死锁；

• 行锁： 开销大，加锁慢；会出现死锁；锁定粒度小，发生锁冲突的概率低，并发度高；

• 页锁： 开销和加锁速度介于表锁和行锁之间；会出现死锁；锁定粒度介于表锁和行锁之间，并发度一般。

5.6 兼容性

共享锁

• 又称读锁（S 锁）；

• 一个事务获取了共享锁，其他事务可以获取共享锁，不能获取排他锁，其他事务可以进行读操作，不能进行写操作；

• SELECT ... LOCK IN SHARE MODE 显示加共享锁。

排他锁

• 又称写锁（X 锁）。

• 如果事务 T 对数据 A 加上排他锁后，则其他事务不能再对 A 加任何类型的封锁。获准排他锁的事务既能读数据，又能修改数据。

• SELECT ... FOR UPDATE 显示添加排他锁。

5.7 锁模式

• 记录锁： 在行相应的索引记录上的锁，锁定一个行记录；

• gap 锁： 是在索引记录间歇上的锁，锁定一个区间；

• next-key 锁： 是记录锁和在此索引记录之前的 gap 上的锁的结合，锁定行记录+区间；

• 意向锁：是为了支持多种粒度锁同时存在。

6. 参考与感谢

• 《MySQL 技术内幕》

• 《高性能 MySQL》

• MySQL InnoDB 锁机制全面解析分享: https://segmentfault.com/a/1190000014133576

• 数据库两大神器【索引和锁】:  https://juejin.im/post/5b55b842f265da0f9e589e79#heading-2

• InnoDB 的逻辑存储结构学习: https://blog.csdn.net/m0_37752084/article/details/80496490

• MySQL 索引背后的数据结构及算法原理: http://blog.codinglabs.org/articles/theory-of-mysql-index.html

转载：MySQL数据库相关流程图原理图