深入浅出分析 Mysql 的 InnoDB 工作原理

一 、上期回顾

上次小编讲了一条sql的执行流程，总结如下：

1. 解析器（Parser）：检查SQL语法，生成语法树。
2. 优化器（Optimizer）：选择最优执行计划，确定索引路径。
3. 执行器（Executor）：根据优化器计划，调用存储引擎执行操作。
4. InnoDB存储引擎
• 行级锁：对特定记录加锁，避免并发冲突。
• 数据修改：实际更新记录，记录修改到redo log。
• 事务控制（ACID）：事务提交或回滚，确保数据一致性和持久性。
5. 返回结果：将执行结果返回给客户端。

然后小编也说了，InnoDB存储引擎里面不止做了这几件事，所以这期小编来聊聊InnoDB存储引擎做了哪些事情。

二 、innoDB

2.1 一条更新sql语句的执行流程图

2.2 buffer pool（innoDB）

Buffer Pool的定义

Buffer Pool 是一块内存区域，专门用于存储数据库的数据页和索引页，以便数据库在查询或更新数据时，能够直接从内存读取而不是从磁盘读取，极大地提高了查询性能。

Buffer Pool的作用

1. 缓存数据页：当用户查询数据时，InnoDB会首先查看Buffer Pool中是否已经缓存了所需的数据。如果缓存命中，数据直接从内存中读取，速度快于从磁盘读取。
2. 减少磁盘I/O：由于磁盘I/O操作相对较慢，Buffer Pool能显著减少数据库对磁盘的读取次数，从而提高性能。
3. 并发控制：InnoDB会管理对Buffer Pool的访问，确保在并发情况下对内存的访问是高效的。

性能调优建议

1. 调整大小：合理分配Buffer Pool大小可以显著提高性能。建议分配服务器可用内存的一大部分给Buffer Pool，以减少磁盘访问。
2. 监控和调整：使用命令SHOW ENGINE INNODB STATUS 或者查询性能视图来监控Buffer Pool的使用情况，如命中率、读取次数等，并根据需要调整Buffer Pool的大小。

另外 buffer pool既然是将物理磁盘的数据缓存起来，那么它的数据结构，内存不够时的淘汰策略等等，小编将新开一篇mysql innoDB的buffer pool单独讲解，有兴趣的同学记的关注后续文章。

2.3 undo log（innoDB）

Undo Log的定义

Undo Log 是用于记录数据在进行修改之前的状态的日志。当一个事务执行时，任何对数据的修改都会在修改前记录到Undo Log中。如果事务因为某些原因失败或被显式回滚，InnoDB会利用Undo Log将数据恢复到修改前的状态。

Undo Log的作用

1. 事务回滚
• 如果一个事务在执行过程中出现错误或者用户显式执行ROLLBACK，InnoDB会利用Undo Log中的记录将数据恢复到事务开始前的状态，确保事务的原子性。
2. MVCC（多版本并发控制）
• Undo Log帮助实现多版本并发控制（MVCC, Multiversion Concurrency Control）。当一个事务在读取数据时，可能有其他事务正在修改相同的数据。Undo Log允许未提交的事务看到修改前的数据，而其他事务可以继续访问原始版本的记录，确保事务之间的隔离性。
3. 崩溃恢复
• 如果数据库因意外宕机或崩溃，未完成的事务会被回滚。数据库在重新启动时，可以通过分析Undo Log，将未提交的事务的修改回滚，从而确保数据一致性。

Undo Log与Redo Log的区别

• Undo Log：主要用于事务回滚和MVCC。记录的是数据修改前的旧值，以便在需要时回滚。
• Redo Log：主要用于持久性（Durability）。记录的是数据的修改操作，以便在系统崩溃后恢复事务的修改。

2.4 redo log（innoDB）

Redo Log的定义

Redo Log 是一种物理日志，记录的是数据页的修改操作，而不是具体的数据内容。当一个事务对数据库中的数据进行修改时，InnoDB会先将这些修改操作记录到Redo Log中，然后再将这些操作实际写入到磁盘的数据文件中。

Redo Log的作用

1. 数据恢复：
• 在发生系统崩溃、宕机或硬件故障时，Redo Log能够用于重做未完成的事务，确保数据库在恢复时仍然可以反映出所有已提交的事务修改。这是事务的持久性保证。
2. 性能优化：
• Redo Log允许数据库在不必每次修改都立即将数据写入磁盘的情况下，先把修改记录到日志中。这极大提高了性能，因为写入日志通常比随机写入磁盘上的数据页要快。
• 数据修改可以在适当的时候（比如内存不足时或达到一定的时间间隔时）通过后台进程慢慢刷新到磁盘文件中，而不影响事务的提交速度。
3. 支持事务提交：
• 当事务执行COMMIT时，InnoDB首先会将所有相关的修改操作写入Redo Log，并确保这些日志已经安全地存储在磁盘上，之后事务才会被认为是成功提交。即使在事务提交后数据库发生崩溃，事务的修改也可以通过Redo Log来恢复。

Redo Log的工作原理

• 当事务开始修改数据时，InnoDB将修改操作记录到Redo Log Buffer中。
• 当事务提交时，Redo Log Buffer中的日志会被同步到磁盘上的Redo Log文件（这个过程叫做 刷盘（fsync））。
• 在后台，InnoDB会根据一定的时间间隔或Buffer Pool中的压力，将修改的数据页从内存刷新到磁盘文件中（这称为 Checkpoint 机制）。
• 如果数据库崩溃或重启，InnoDB会读取Redo Log文件中的日志，并将其中未完成的事务操作重新应用到数据库中（重做（redo）），从而恢复数据。

Redo Log的性能调优

• 日志文件大小 (innodb_log_file_size)：较大的日志文件可以减少Checkpoint的频率，但会增加崩溃恢复的时间，因为日志文件越大，恢复时需要重做的日志条目也越多。
• Redo Log Buffer大小 (innodb_log_buffer_size)：如果事务提交频率高，可以适当增加Redo Log Buffer的大小，以减少刷盘的频率。
• 写入频率：通过innodb_flush_log_at_trx_commit参数控制事务提交时写日志到磁盘的策略：
1. 0：事务提交时不强制写日志到磁盘，日志在后台刷新。这种配置性能高但风险较大。
2. 1：每次事务提交时，Redo Log会立即刷入磁盘。这是默认的设置，确保了事务的强持久性。
3. 2：事务提交时，日志写入文件系统缓存中，而不是立即写入磁盘，崩溃时可能丢失部分数据。

2.5 bin log（mysql）

Binlog的定义

Binlog是MySQL的二进制日志，记录了所有更改数据库数据的语句以及与其相关的事务。它与InnoDB存储引擎的Redo Log不同，Redo Log是用于恢复崩溃后未完成的事务，而Binlog是记录事务日志，用于备份、恢复和复制。

Binlog的作用

1. 数据恢复：
• Binlog可以用作增量备份工具。通过定期备份Binlog文件，MySQL管理员可以将数据库恢复到某一时刻之前的状态，然后通过应用Binlog中的修改来恢复到崩溃前的最新状态。与完整备份配合，能够实现更精细的恢复过程。
• 如果数据库因某种原因崩溃，可以通过Point-in-Time Recovery（PITR，时间点恢复），将数据库恢复到特定的时间点，或恢复到某个已知的稳定状态。
2. 主从复制：
• MySQL支持主从复制（Replication），其中主服务器上的数据更改会通过Binlog同步到从服务器。主服务器会将所有更改记录到Binlog中，然后从服务器读取并应用这些日志，从而保持与主服务器的数据一致性。
• 这种机制使得可以创建冗余的从服务器来提高高可用性和读性能，分担查询负载。

三 、总结

InnoDB的Buffer Pool是MySQL用于缓存数据和索引页的内存区域，减少磁盘I/O，提升读写性能。Undo Log记录事务修改前的数据，用于回滚未提交的事务和实现MVCC。Redo Log则记录已提交事务的修改操作，确保系统崩溃后能够恢复事务，保证数据的持久性。Buffer Pool优化了内存使用，Undo Log维护事务一致性，Redo Log确保持久性与数据恢复，三者协同保障InnoDB的高效性与可靠性。