锁和InnoDB引擎（六）

锁

锁是计算机用以协调多个进程间并发访问同一共享资源的一种机制。MySQL中为了保证数据访问的一致性与有效性等功能，实现了锁机制，MySQL中的锁是在服务器层或者存储引擎层实现的。

分类

mysql中的锁，按照锁的粒度分为：

• 全局锁：锁定数据库中的所有表
• 表级锁：每次操作锁住整张表
• 行级锁：每次操作锁住对应的行数据

全局锁

全局锁就是对整个数据库实例加锁，加锁后整个实例就处于只读状态，后续的DML的写语句，DDL语句，已经更新操作的事务提交语句都将被堵塞，其典型的应用场景就是做全库的逻辑备份，对所有的表进行锁定，从而获取一致性视图，保证数据的完整性。

执行顺序

1. 用mysql语句上锁
   • flush tables with read lock
2. 数据备份,cmd命令
   • mysqldump -u 用户 -p 密码 数据库名>备份名.sql
3. 解锁mysql语句
   • unlock tables

特点

数据库中加全局锁，存在问题如下：

1. 若在主库备份，备份期间不可执行更新，业务基本停摆
2. 若在从库备份，备份期间从库不能执行主库同步过来的二进制日志(binlog)，会导致主从延迟

InnoDB引擎中，我们可在备份时加上参数–single-transaction参数来完成不加锁的一致性数据备份：

mysqldump -single-transaction -u 用户 -p 密码 数据库名>备份名.sql

InnoDB引擎

逻辑存储结构

• 表空间（ibd文件），一个mysql实例可对应多个表空间，用于存储记录，索引等数据
• 段，分为数据段，索引段，回滚段，InnoDB是索引组织表，数据就是B+树的叶子节点，索引段即为B+树的非叶子节点，段用来管理多个Extent（区）
• 区，表空间的单元结构，每个区大小为1M，默认情况下，InnoDB存储引擎页大小为16K，即一个区中一共有64个连续的页。
• 页，是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的默认大小为16K，即每一个区中一共有64个连续的页。
• 页，InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认为16KB，为保证页的连续性，InnoDB存储引擎每次从磁盘申请4-5个区
• 行，InnoDB存储引擎数据是按行进行存放的
  • Trx_id：每次对某条记录进行改动时，都会把对应的事务赋值给trx-id隐藏列
  • Roll_pointer：每次对某条引记录进行改动时，都会把旧的版本写入到undo日志中，然后这个隐藏列就相当于一个指针，可通过它来找到该记录修改前的信息

架构

mysql5.5版本开始，默认使用InnoDB存储引擎，它擅长事务处理，具有崩溃恢复特性，在日常开发中使用广泛，下使InnoDB架构图，左侧为内存结构，右侧为磁盘结构。

内存架构

Buffer Pool缓冲池是主内存中的一个区域，里面课缓存磁盘上经常操作的真实数据，在执行增删改查操作时，先操作缓冲池中的数据（若缓冲池没有数据，则从磁盘加载并缓存），然后再以一定频率刷新到磁盘，从而减少磁盘IO，加快处理速度。

缓冲池以Page页为单位，底层采用链表数据结构管理Page，根据状态，将Page分为三种类型：

• free page：空闲page，未被使用
• clean page：被使用page，数据未被修改过
• dirty page：脏页，被使用page，数据被修改过，页中数据与磁盘的数据产生了不一致

Change Buffer：更改缓冲区（针对于非唯一二级索引页），在执行DML语句时，若这些数据Page并未在Buffer Pool中，不会直接操作磁盘，而是会将数据变更存在更改缓冲区Change Buffer中，在未来数据被读取时，再将数据合并恢复到Buffer Pool中，再将合并后的数据刷新到磁盘中。

与聚集索引不同，二级索引通常是非唯一的，且以相对随机的顺序插入二级索引，删除和更新可能会影响索引树中不相邻的二级索引页，若每次都操作磁盘，会造成大量的磁盘IO，有ChangeBuffer之后，我们可在缓冲池中进行合并处理，减少磁盘IO。

Adaptive Hash Index：自适应hash索引，用于优化对Buffer Pool数据的查询，InnoDB存储引擎会监控对表上各索引页的查询，若观察到hash索引可提升速度，则建立hash索引，称之为自适应hash索引。

自适应哈希索引，无需人工干预，是系统根据情况自动完成。

参数：adaptive_hash_index
Log buffer：日志缓冲区，用来保存要写入磁盘中log日志数据（redo log，undo log），默认大小为16MB，日志缓冲区的日志会定期刷新到磁盘中，若需更新没，插入或删除许多行的事务，增加日志缓冲区的大小可以节省磁盘I/O。

参数：

• innodb_log_buffer_size：缓冲区大小
• innodb_flush_log_at_trx_commit：日志刷新到磁盘时机
  • 1：日志在每次事务提交时写入并刷新到磁盘
  • 0：每秒将日志写入并刷新到磁盘一次
  • 2：日志在每次事务提交后写入，并每秒刷新到磁盘一次

磁盘结构

System Tablespace：系统表空间是更改缓冲区的存储区域，若表在系统表空间而不是每个表文件或通用表空间中创建的，它也可能包含表和索引数据。（在mysql5.x版本中还包含InnoDB数据字典，undolog等）

参数：innodb_data_file_path

File-Per-Table-Tablespaces：每个表的文件表空间包含单个InnoDB表的数据和索引，并存储在文件系统上的单个数据文件中。

参数：innodb_file_per_table

General Tablespaces：通用表空间，需要通过create tablespace语法创建通用表空间，在创建表时，可以指定该表空间。

Undo Tablespaces：撤销表空间，MYSQL实例在初始化时会自动创建两个默认的undo表空间（初始大小16M），用于存储undo log日志。

Temporary Tablespaces：InnoDB使用会话临时表空间和全局临时表空间，存储用户创建的临时表等数据。

Doublewrite Buffer Files：双写缓冲区，InnoDB引擎将数据页从Buffer Pool刷新到磁盘前，先前将数据页写入双写缓冲区文件中，便于系统异常时恢复数据。

Redo log：重做日志，是用来实现事务的持久性，该日志文件由两部分组成：重做日志缓冲以及重做日志文件，前者是在内存中，后者是在磁盘中，当事务提交后会把所有修改信息都会存到该日志中，用于在刷新脏页到磁盘时，发生错误时，进行数据恢复使用。

后台线程

Master Thread：核心后台线程，负责调度其他线程，还负责将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘中，保持数据的一致性，还包括脏页的刷新，合并插入数据，undo页的回收。

IO Thread：在InnoDB存储引擎中大量使用了AIO来处理IO请求，这样可极大地提高数据库的性能，而IOThread主要负责这些IO请求的回调。

线程类型

• Read thread：默认个数4，负责读操作
• Write thread：默认个数4，负责写操作
• Log thread：默认个数1，负责将日志缓冲区刷新到磁盘
• Insert buffer thread：默认个数1，负责将写缓冲区内容刷新到磁盘

Purge Thread：主要用于回收事务已经提交的undo log，在事务提交后，undo log可能不用了，就用它来回收。

Page Cleaner Thread：协助Master Thread刷新脏页到磁盘的线程，可减轻Master Thread的工作压力，减少堵塞。

事务原理

事务的原子性，一致性，持久性是由redo log日志和undo log日志保障的。

事务的隔离性是由锁机制和mvcc来实现的。

redolog

redo log：重做日志，记录的是事务提交时数据页的物理修改，是用来实现事务的持久性。

该日志文件由重做日志缓冲和重做日志文件组成，前者是在内存中，后者在磁盘中，当事务提交后会把修改信息都存到该日志文件中，用于刷新脏页到磁盘，发生错误时，进行数据恢复使用。

undolog

undo log：回滚日志,用于记录数据被修改前的信息,作用包含提供回滚和MVCC(多版本并发控制)。

undo log和redo log记录物理日志不一样,它是逻辑日志。可以认为当delete一条记录时, undo log中会记录一条对应的insert记录,反之亦然,当update一条记录时,它记录一条对应相反的update记录。当执行rollback时,就可以从undo log中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚。

Undo log销毁: undo log在事务执行时产生,事务提交时,并不会立即删除undo log,因为这些日志可能还用于MVCC。

Undo log存储： undo log采用段的方式进行管理和记录，存放在 rollback segment 回滚段中，内部包含1024个undo log segment。

MVCC

基本概念

当前读：读取的是记录的最新版本,读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录,会对读取的记录进行加锁。对于我们日常的操作,如:select … lock in share mode(共享锁), select … for update、update、insert、 delete(排他锁)都是一种当前读。

快照读：简单的select (不加锁)就是快照读,快照读,读取的是记录数据的可见版本,有可能是历史数据,不加锁,是非阻塞读。

• Read Committed：每次select，都生成一个快照读。
• Repeatable Read:开启事务后第一个select语句才是快照读的地方。
• Serializable：快照读会退化为当前读

MVCC：全称 Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。指维护一个数据的多个版本，使得读写操作没有冲突，快照读为MySQL实现MVCC提供了一个非阻塞读功能。MVCC的具体实现，还需要依赖于数据库记录中的三个隐式字段、undo log日志、readView。

实现原理

记录中的隐藏字段：

• DB_TRX_ID：最近修改事务ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID
• DB_ROLL_PTR：回滚指针，指向这条记录的上一次版本，用于配合undo log，指向上一个版本
• DB_ROW_ID：隐藏主键，若表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段

undo log：

回滚日志，在insert，update。delete时产生便于数据回滚的日志。

当insert时，产生的undo log日志只在回滚时需要，在事务提交后，可被；立即删除。

而update，delete时，产生的undo log日志不仅在回滚时需要，在快照读时也需要，不会被立即删除。

undo log版本链：不同事务或相同事务对同一条记录进行修改，会导致该记录的undolog生成一条记录版本链表，链表的头部是最新的旧记录，链表尾部是最早的旧记录。

readview:readview（读视图）是快照读sql执行时MVCC提取数据的依据，记录并维护系统当前活跃的事务（未提交的）id。

readview中包含四个核心字段：

• m_ids：当前活跃的事务id集合
• min_trx_id：最小活跃事务id
• max_trx_id：预分配事务id，当前最大事务id+1（因为事务id是自增的）
• creator_trx_id：readview创建者的事务id

版本数据链访问规则（trx_id代表是当前事务ID）：

1. trx_id==creator_trx_id?可以访问该版本
   • 成立，说明数据是当前这个事务更改的
2. trx_id<min_trx_id？可以访问该版本
   • 成立，说明数据已经提交了
3. trx_id>max_trx？不可以访问该版本
   • 成立，说明该事务是在ReadView生成后才开启
4. min_trx_id<=trx_id<=max_trx_id？若trx_id不在m_ids中是可以访问该版本的
   • 成立，说明数据已提交

不同隔离级别：生成readview的时机不同

• read committed：在事务中每一次执行快照读时生成readview
• repeatable read：仅在事务中第一次执行快照读时生成readview，后续复用该readview