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MySql执行原理

好记性不如烂笔头

MySql执行过程

查询语句执行过程

下图是 MySQL 的基本架构示意图,从中你可以清楚地看到 SQL 语句在 MySQL 的各个功能模块中的执行过程。

index

基本结构

从上图可以看出,MySql可以分为server和存储引擎两层。

  • Server 层包括连接器、查询缓存、分析器、优化器、执行器等,涵盖 MySQL 的大多数核心服务功能,以及所有的内置函数(如日期、时间、数学和加密函数等),所有跨存储引擎的功能都在这一层实现,比如存储过程、触发器、视图等。

  • 存储引擎层负责数据的存储和提取。其架构模式是插件式的,支持 InnoDB、MyISAM、Memory 等多个存储引擎。现在最常用的存储引擎是 InnoDB,它从 MySQL 5.5.5 版本开始成为了默认存储引擎。

  • 从图中看出,不同的存储引擎共用一个Server 层,也就是从连接器到执行器的部分。你可以先对每个组件的名字有个印象,接下来我会结合开头提到的那条 SQL 语句,带你走一遍整个执行流程,依次看下每个组件的作用。

执型过程

一、连接器
二、查询缓存

如果开启了缓存会去查询缓存 但一般不建议开启缓存,因为一但有更新,缓存就会被清空。MySQL 8.0 版本直接将查询缓存的整块功能删掉了。

三、分析器
  • 词法分析器

    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”。

  • 语法分析

    语法分析器会根据语法规则,判断你输入的这个 SQL 语句是否满足 MySQL 语法。

四、优化器

经过了分析器,MySQL 就知道你要做什么了。在开始执行之前,还要先经过优化器的处理。

优化器是在表里面有多个索引的时候,决定使用哪个索引;或者在一个语句有多表关联(join)的时候,决定各个表的连接顺序

五、执行器

经历了上述过程 终于可以进入执行阶段了......

开始执行之前 MySql会先检查当前用户对当前表有没有查询权限,如果没有,就会返回没有权限的错误。如果有权限,就打开表继续执行。打开表的时候,执行器就会根据表的引擎定义,去使用这个引擎提供的接口。

mysql> select * from T where ID=10;

比如我们这个例子中的表 T 中,ID 字段没有索引,那么执行器的执行流程是这样的:

  1. 调用 InnoDB 引擎接口取这个表的第一行,判断 ID 值是不是 10,如果不是则跳过,如果是则将这行存在结果集中;
  2. 调用引擎接口取“下一行”,重复相同的判断逻辑,直到取到这个表的最后一行。
  3. 执行器将上述遍历过程中所有满足条件的行组成的记录集作为结果集返回给客户端。

至此,这个语句就执行完成了。

一条更新语句发生了啥

更新语句也会执行查询语句的那几个过程

index

与查询流程不一样的是,更新流程还涉及两个重要的日志模块:redo log(重做日志)和 binlog(归档日志)。

重要的日志模块:redo log

酒店掌柜有一个粉板,专门用来记录客人的赊账记录。如果赊账的人不多,那么他可以把顾客名和账目写在板上。但如果赊账的人多了,粉板总会有记不下的时候,这个时候掌柜一定还有一个专门记录赊账的账本。

如果有人要赊账或者还账的话,掌柜一般有两种做法:

  • 一种做法是直接把账本翻出来,把这次赊的账加上去或者扣除掉;
  • 另一种做法是先在粉板上记下这次的账,等打烊以后再把账本翻出来核算。

在生意红火柜台很忙时,掌柜一定会选择后者,因为前者操作实在是太麻烦了。首先,你得找到这个人的赊账总额那条记录。你想想,密密麻麻几十页,掌柜要找到那个名字,可能还得带上老花镜慢慢找,找到之后再拿出算盘计算,最后再将结果写回到账本上。

这整个过程想想都麻烦。相比之下,还是先在粉板上记一下方便。你想想,如果掌柜没有粉板的帮助,每次记账都得翻账本,效率是不是低得让人难以忍受?

同样,在 MySQL 里也有这个问题,如果每一次的更新操作都需要写进磁盘,然后磁盘也要找到对应的那条记录,然后再更新,整个过程 IO 成本、查找成本都很高。为了解决这个问题,MySQL 的设计者就用了类似酒店掌柜粉板的思路来提升更新效率。

而粉板和账本配合的整个过程,其实就是 MySQL 里经常说到的 WAL 技术,WAL 的全称是 Write-Ahead Logging,它的关键点就是先写日志,再写磁盘,也就是先写粉板,等不忙的时候再写账本。

具体来说,当有一条记录需要更新的时候,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log(粉板)里面,并更新内存,这个时候更新就算完成了。同时,InnoDB 引擎会在适当的时候,将这个操作记录更新到磁盘里面,而这个更新往往是在系统比较空闲的时候做,这就像打烊以后掌柜做的事。

如果今天赊账的不多,掌柜可以等打烊后再整理。但如果某天赊账的特别多,粉板写满了,又怎么办呢?这个时候掌柜只好放下手中的活儿,把粉板中的一部分赊账记录更新到账本中,然后把这些记录从粉板上擦掉,为记新账腾出空间。

与此类似,InnoDB 的 redo log 是固定大小的,比如可以配置为一组 4 个文件,每个文件的大小是 1GB,那么这块“粉板”总共就可以记录 4GB 的操作。从头开始写,写到末尾就又回到开头循环写,如下面这个图所示

mysql02

write pos 是当前记录的位置,一边写一边后移,写到第 3 号文件末尾后就回到 0 号文件开头。checkpoint 是当前要擦除的位置,也是往后推移并且循环的,擦除记录前要把记录更新到数据文件。

write pos 和 checkpoint 之间的是“粉板”上还空着的部分,可以用来记录新的操作。如果 write pos 追上 checkpoint,表示“粉板”满了,这时候不能再执行新的更新,得停下来先擦掉一些记录,把 checkpoint 推进一下。

有了 redo log,InnoDB 就可以保证即使数据库发生异常重启,之前提交的记录都不会丢失,这个能力称为crash-safe

要理解 crash-safe 这个概念,可以想想我们前面赊账记录的例子。只要赊账记录记在了粉板上或写在了账本上,之后即使掌柜忘记了,比如突然停业几天,恢复生意后依然可以通过账本和粉板上的数据明确赊账账目。

重要的日志模块:binlog

MySQL 整体来看,其实就有两块:一块是 Server 层,它主要做的是 MySQL 功能层面的事情;还有一块是引擎层,负责存储相关的具体事宜。上面我们聊到的粉板 redo log 是 InnoDB 引擎特有的日志,而 Server 层也有自己的日志,称为 binlog(归档日志)。

最开始 MySQL 里并没有 InnoDB 引擎。MySQL 自带的引擎是 MyISAM,但是 MyISAM 没有 crash-safe 的能力,binlog 日志只能用于归档。而 InnoDB 是另一个公司以插件形式引入 MySQL 的,既然只依靠 binlog 是没有 crash-safe 能力的,所以 InnoDB 使用另外一套日志系统——也就是 redo log 来实现 crash-safe 能力。

这两种日志有以下三点不同。

  1. redo log 是 InnoDB 引擎特有的;binlog 是 MySQL 的 Server 层实现的,所有引擎都可以使用。
  2. redo log 是物理日志,记录的是“在某个数据页上做了什么修改”;binlog 是逻辑日志,记录的是这个语句的原始逻辑,比如“给 ID=2 这一行的 c 字段加 1 ”。
  3. redo log 是循环写的,空间固定会用完;binlog 是可以追加写入的。“追加写”是指 binlog 文件写到一定大小后会切换到下一个,并不会覆盖以前的日志。

再来看执行器和 InnoDB 引擎在执行这个简单的 update 语句时的内部流程。

mysql> update T set c=c+1 where ID=2;
  1. 执行器先找引擎取 ID=2 这一行。ID 是主键,引擎直接用树搜索找到这一行。如果 ID=2 这一行所在的数据页本来就在内存中,就直接返回给执行器;否则,需要先从磁盘读入内存,然后再返回。
  2. 执行器拿到引擎给的行数据,把这个值加上 1,比如原来是 N,现在就是 N+1,得到新的一行数据,再调用引擎接口写入这行新数据。
  3. 引擎将这行新数据更新到内存中,同时将这个更新操作记录到 redo log 里面,此时 redo log 处于 prepare 状态。然后告知执行器执行完成了,随时可以提交事务。
  4. 执行器生成这个操作的 binlog,并把 binlog 写入磁盘。
  5. 执行器调用引擎的提交事务接口,引擎把刚刚写入的 redo log 改成提交(commit)状态,更新完成。

这里给出update 语句的执行流程图,图中浅色框表示是在 InnoDB 内部执行的,深色框表示是在执行器中执行的。

mysql03

Q.E.D.


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