深入解析InnoDB存储引擎：内存架构与磁盘架构详解

深入解析InnoDB存储引擎：内存架构与磁盘架构详解

在MySQL数据库中，InnoDB存储引擎因其支持事务、行级锁、MVCC以及外键等特性而广受欢迎。本文将深入解析InnoDB存储引擎的底层架构，帮助读者理解其内存架构和磁盘架构的工作原理，从而更好地进行数据库性能调优。

InnoDB存储引擎主要由内存架构和磁盘架构两大部分组成。下面将通过一张图来详细展示这两个部分的结构：

内存架构

内存架构（英文名称：In-Memory Structures）在InnoDB存储引擎中主要包括四个核心组件：自适应哈希索引、Buffer pool、Change buffer和Log Buffer。

1. 自适应哈希索引

自适应哈希索引（Adaptive Hash Index）的设计目标是让MySQL数据库达到内存数据库级别的高效性能，同时不失去事务、行锁以及外键等关键特性。它并非由用户手动创建，而是由InnoDB存储引擎通过索引监控机制自动创建。当监控到自适应哈希索引能够提升查询速度时，InnoDB会自动为相关查询创建该索引。使用自适应哈希索引的查询将直接通过索引获取所需数据，避免全表扫描，从而提高查询效率。

然而，自适应哈希索引并非在所有情况下都适用。例如，对于需要全表扫描的查询（如link '%xxx'），使用索引反而可能增加额外开销，因此在这种情况下不会创建自适应哈希索引。

2. Buffer pool

Buffer pool（缓冲池）是MySQL数据库中至关重要的内存区域。在数据库启动时，会优先初始化这一内存区域，它通常占用MySQL数据库总内存空间的80%以上。通过执行show engine innodb status\G命令，可以查看Buffer pool的详细状态：

mysql> show engine innodb status\G
---
BUFFER POOL AND MEMORY
---
Total large memory allocated 137428992
Dictionary memory allocated 301572
Buffer pool size   8191
Free buffers       6916
Database pages     1252
Old database pages 442
Modified db pages  0
Pending reads      0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 258,not young 1
0.00 youngs/s,0.00 non-youngs/s
Pages read 320, created 938, written 3279
0.00 reads/s,0.00 creates/s,0.00 writes/s
No buffer pool page gets since the last printout
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s,Random read ahead 0.00/s
LRU len:1252, unzip_LRU len:0
I/O sum[0]:cur[0], unzip sum[0]:cur[0]

Buffer pool的主要作用是提升数据库查询效率，其中采用了LRU（Least Recently Used）算法。具体实现如下：

• 当读取的数据（如数据2）存在于新子链表中时，会将其移动到链表的最前端。
• 当查询的数据不在Buffer pool中时，MySQL会从磁盘读取该数据（数据X），并将其插入新子链表的末尾，同时淘汰旧子链表中的数据（数据N）。

新子链表和旧子链表的设计是为了防止大量新数据的写入导致所有数据被立即淘汰，从而避免系统磁盘IO急剧升高和数据库反应变慢的问题。

在Buffer Pool中还保留了一个名为Change buffer的小内存块，用于记录数据库的数据修改操作。

3. Change buffer

Change buffer，也称为写缓存，主要用于记录数据库的数据修改操作，其主要目的是提高数据库的写性能。数据修改操作的具体步骤如下：

1. 首先判断要修改的数据是否存在于Buffer Pool中：

• 如果存在，直接在Buffer Pool中修改相关数据。
• 如果不存在，先从磁盘读取该数据到Change buffer中，在Change buffer中修改数据，并同时写入Redo Log中（以防止数据丢失），等到下一次查询该数据时再合并到Buffer Pool中。

2. Change buffer中的数据在以下三种情况下会被合并：

• 当修改的数据被查询时，合并到Buffer Pool。
• MySQL数据库中的Master Thread定期合并（默认周期为10秒）。
• 当MySQL数据库关闭时，通过Redo Log合并到磁盘中。

这种设计的目的是避免每次数据修改都直接操作磁盘和Buffer Pool，从而降低数据库的系统性能要求，提高数据库性能。

4. Log Buffer

考虑到如果仅将修改后的数据保存在内存中，数据库宕机会导致数据丢失的问题，MySQL提供了写日志的方案，即Redo Log。Redo Log是一个物理日志，当数据库宕机时，它会将数据直接保存在磁盘上；当数据库重新启动时，自动将数据写入数据库的磁盘中，以确保数据不会丢失。

然而，如果直接将大量数据写入磁盘，仍然会导致数据库性能低下。因此，使用Log Buffer来暂存需要写入Redo log的数据，以提高数据库性能。

这里可能会有疑问：为什么Change Buffer不直接写入磁盘？原因在于MySQL数据库在磁盘上保存的数据是有序的（例如按照主键ID），直接操作磁盘会导致大量数据位置变更（即随机IO）。而Redo log中保存的数据是无序的，不会产生随机IO，因此使用Redo log暂时保存数据是在确保数据不丢失的同时，提高性能的最佳选择。

磁盘架构

对于InnoDB存储引擎而言，磁盘架构的核心是表空间。InnoDB的表空间主要分为系统表空间、独立表空间、普通表空间、Undo表空间以及临时表空间。

1. 系统表空间

系统表空间是InnoDB存储引擎中非常重要的表空间之一，主要用于存储InnoDB数据字典、双写缓冲、更改缓存以及撤销日志。系统表空间通常位于MySQL数据库目录中，文件名为ibdata1。系统表空间的数量和大小由innodb_data_file_path参数控制。例如：

mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_data_file_path';
+-----------------------+--------------------------+
| Variable_name         | Value                    |
+-----------------------+--------------------------+
| innodb_data_file_path | ibdata1:12M:autoextend   |
+-----------------------+--------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

需要注意的是，从MySQL 8.0版本开始，InnoDB数据字典已合并到MySQL数据字典中，不再存储在系统表空间中。

2. 独立表空间

在InnoDB存储引擎中，通常创建数据表时会在MySQL数据目录中生成两个文件：.ibd和.frm。其中，.ibd文件用于存储表数据，而.frm文件用于存储索引。这种做法可以实现数据表的独立管理，便于快速数据迁移，并在数据故障时提高恢复成功率。但同时也会增加磁盘碎片，对系统处理表文件的性能产生一定影响。

3. 普通表空间

普通表空间本质上是一个共享的表空间，其具体文件在MySQL数据库的数据目录中以.ibd结尾。与独立表空间类似，它支持所有MySQL数据库中的数据表结构，并将数据库的一些元数据保存在内存中，从而减少独立表空间对内存的消耗。

4. Undo 表空间

Undo表空间主要用于保存撤销日志（Undo Log），默认存储在MySQL数据库的根目录。从MySQL 8.0版本开始，会在数据根目录生成undo_001和undo002两个文件。可以通过以下方式查看Undo表空间的配置：

mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_undo_directory';
+-----------------------+-------+
| Variable_name         | Value |
+-----------------------+-------+
| innodb_undo_directory | ./    |
+-----------------------+-------+
4 rows in set (0.00 sec)

5. 临时表空间

临时表空间主要用于保存数据库会话中的临时数据，在MySQL数据库的数据根目录中以ibtmp1命名。特别是在使用JOIN连表查询时，会在临时表空间内创建临时数据表以辅助查询。可以通过以下方式查看临时表空间的配置：

mysql> SELECT @@innodb_temp_data_file_path;
+-----------------------------+
| @@innodb_temp_data_file_path|
+-----------------------------+
| ibtmp1:12M:autoextend       |
+-----------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

总结

InnoDB存储引擎是MySQL数据库中最重要的存储引擎之一。通过其内存架构和磁盘架构的协同工作，为用户提供了一个高性能、高安全的存储解决方案。在实际应用中，InnoDB存储引擎是大多数场景的首选，但在使用时需要确保Buffer pool的空间足够大，以优化数据查询性能。