全解MySQL之架构篇：自顶向下深入剖析MySQL整体架构！

二、MySQL整体结构浅析

本章作为​​MySQL​​系列的开篇之作，当然也有一定的原因，毕竟只有先对​​MySQL​​的整体架构有了一个宏观的认知，才能更好的理解每个细节点的知识。

​​MySQL​​与我们开发项目时相同，为了能够合理的规划整体架构设计，也会将整个​​MySQL​​服务抽象成几个大的模块，然后在内部进行实现，因此先来看看​​MySQL​​的整体架构，开局先上一张图：

从上往下看，依次会分为网络连接层、系统服务层、存储引擎层、以及文件系统层，往往编写​​SQL​​后，都会遵守着​​MySQL​​的这个架构往下走。

• 连接层：主要是指数据库连接池，会负责处理所有客户端接入的工作。
• 服务层：主要包含​​SQL​​接口、解析器、优化器以及缓存缓冲区四块区域。
• 存储引擎层：这里是指​​MySQL​​支持的各大存储引擎，如​​InnoDB、MyISAM​​等。
• 文件系统层：涵盖了所有的日志，以及数据、索引文件，位于系统硬盘上。

OK~，除了上述的四层外，还有客户端，这个客户端可以是各类编程语言，如​​Java、Go、Python、C/C++、PHP、Node、.Net....​​，也可以是一些数据库的可视化软件，例如​​Navicat、SQLyog​​等，也可以是​​mysql-cli​​命令行工具。总之，只要能与​​MySQL​​建立网络连接，都可以被称为是​​MySQL​​的客户端。

​​MySQL-Server​​就是上述图中的那玩意儿，一般来说，客户端负责编写​​SQL​​，而服务端则负责​​SQL​​的执行与数据的存储。

对​​MySQL​​的整体架构有了简单了解后，接下来详细的拆解一下​​MySQL-Server​​的每个层面。

三、网络连接层

当一个客户端尝试与​​MySQL​​建立连接时，​​MySQL​​内部都会派发一条线程负责处理该客户端接下来的所有工作。而数据库的连接层负责的就是所有客户端的接入工作，​​MySQL​​的连接一般都是基于​​TCP/IP​​协议建立网络连接，因此凡是可以支持​​TCP/IP​​的语言，几乎都能与​​MySQL​​建立连接。

其实​​MySQL​​还支持另一种连接方式，就是​​Unix​​系统下的​​Socket​​直连，但这种方式一般使用的较少。

虽然​​MySQL​​是基于​​TCP/IP​​协议栈实现的连接建立工作，但并非使用​​HTTP​​协议建立连接的，一般建立连接的具体协议，都会根据不同的客户端实现，如​​jdbc、odbc...​​这类的。在这里先暂且不纠结连接​​MySQL​​时的协议类型，先来看看一般是怎么连接​​MySQL​​的？如下：

​​mysql -h 127.0.0.1 -uroot -p123456​​

例如上述这条指令，​​-h​​表示​​MySQL​​所在的服务器​​IP​​地址，​​-u​​表示本次连接所使用的用户名，​​-p​​则代表着当前用户的账号密码，当执行这条指令后，会与​​MySQL-Server​​建立网络连接。当然，​​MySQL​​也支持​​SSL​​加密连接，如果采用这种方式建立连接，那还会经过[《SSL多次握手过程》，当握手结束，网络建立成功后，则会开始正式的数据库连接建立工作。

​​TCP​​网络连接建立成功后，​​MySQL​​服务端与客户端之间会建立一个​​session​​会话，紧接着会对登录的用户名和密码进行效验，​​MySQL​​首先会查询自身的用户表信息，判断输入的用户名是否存在，如果存在则会判断输入的密码是否正确，如若密码错误或用户名不存在就会返回​​1045​​的错误码，如下信息：

​​ERROR 1045 (28000): Access denied for user 'zhuzi'@'localhost' (using password: YES)​​

如果你在连接数据库的过程中，出现了上述的错误信息，那绝对是你输入的用户名或密码错误导致的，当账号及密码正确时，此时就会进入​​MySQL​​的命令行，接下来可以执行​​SQL​​操作。

但实际上，在用户名和密码都正确的情况下，​​MySQL​​还会做一些些小动作，也就是会进行授权操作，查询每个用户所拥有的权限，并对其授权，后续​​SQL​​执行时，都会先判断是否具备执行相应​​SQL​​语句的权限，然后再执行。

OK~，经过上述流程后数据库连接就建立成功了，数据库连接建立成功后，​​MySQL​​与客户端之间会采用半全工的通讯机制工作，与之对应的还有“双全工、单工”的工作模式：

• 双全工：代表通讯的双方在同一时间内，即可以发送数据，也可以接收数据。
• 半全工：代表同一时刻内，单方要么只能发送数据，要么只能接受数据。
• 单工：当前连接只能发送数据或只能接收数据，也就是“单向类型的通道”。

到这里，​​MySQL​​也会“安排”一条线程维护当前客户端的连接，这条线程也会时刻标识着当前连接在干什么工作，可以通过​​show processlist;​​命令查询所有正在运行的线程：

执行结果如下(​​root​​账号可以查询所有线程)：

• ​​Id​​：当前线程的​​ID​​值，可以利用这个​​ID​​，使用​​kill​​强杀线程。
• ​​User​​：当前线程维护的数据库连接，与之对应的用户是谁。
• ​​Host​​：与当前线程保持连接关系的客户端地址（​​IP+Port​​）。
• ​​db​​：目前线程在哪个数据库中执行​​SQL​​。
• ​Command​​：当前线程正在执行的​​SQL​​类型，如：

• ​​Create DB​​：正在执行创建数据库的操作。
• ​​Drop DB​​：正在执行删除数据库的操作。
• ​​Execute​​：正在执行预编译的​​SQL​​（​​PreparedStatement​​）。
• ​​Close Stmt​​：正在关闭一个​​PreparedStatement​​。
• ​​Query​​：正在执行普通的​​SQL​​语句。
• ​​Sleep​​：正在等待客户端发送​​SQL​​语句。
• ​​Quit​​：当前客户端正在退出连接。
• ​​Shutdown​​：正在关闭​​MySQL​​服务端。

• ​​Time​​：表示当前线程处于目前状态的时间，单位是秒。
• ​State​​：表示当前线程的状态，有如下几种：

• ​​Updating​​：当前正在执行​​update​​语句，匹配数据做修改操作。
• ​​Sleeping​​：正在等待客户端发送新的​​SQL​​语句。
• ​​Starting​​：目前正在处理客户端的请求。
• ​​Checking table​​：目前正在表中查询数据。
• ​​Locked​​：当前线程被阻塞，其他线程获取了执行需要的锁资源。
• ​​Sending Data​​：目前执行完成了​​Select​​语句，正在将结果返回给客户端。

• ​​Info​​：一般记录当前线程正在执行的​​SQL​​，默认显示前一百个字符，查看完整的​​SQL​​可以使用​​show full processlist;​​命令。

其实从这个结果上来看，我们能够很明显的看到数据库中各个线程的信息，这条指令对于以后做线上排查时有很大的作用，目前先简单了解，接着来看看数据库连接池。

3.1、数据库连接池(Connection Pool)

​​Connection Pool​​翻译过来的意思就是连接池，那为什么需要有这个东西呢？因为前面聊到过，所有的客户端连接都需要一条线程去维护，而线程资源无论在哪里都属于宝贵资源，因此不可能无限量创建，所以这里的连接池就相当于​​Tomcat​​中的线程池，主要是为了复用线程、管理线程以及限制最大连接数的。

连接池的最大线程数可以通过参数​​max-connections​​来控制，如果到来的客户端连接超出该值时，新到来的连接都会被拒绝，关于最大连接数的一些命令主要有两条：

• ​​show variables like '%max_connections%';​​：查询目前​​DB​​的最大连接数。
• ​​set GLOBAL max_connections = 200;​​：修改数据库的最大连接数为指定值。

对于不同的机器配置，可以适当的调整连接池的最大连接数大小，以此可以在一定程度上提升数据库的性能。除了可以查询最大连接数外，​​MySQL​​本身还会对客户端的连接数进行统计，对于这点可以通过命令​​show status like "Threads%";​​查询：

其中各个字段的释义如下：

• ​​Threads_cached​​：目前空闲的数据库连接数。
• ​​Threads_connected​​：当前数据库存活的数据库连接数。
• ​​Threads_created​​：​​MySQL-Server​​运行至今，累计创建的连接数。
• ​​Threads_running​​：目前正在执行的数据库连接数。

对于几个字段很容易理解，额外要说明的一点是​​Threads_cached​​这个字段，从名称上来看，似乎跟缓存有关系，其实也没错，因为这里是有一个数据库内部的优化机制。当一个客户端连接断开后，对于数据库连接却不会立马销毁，而是会先放入到一个缓存连接池当中。这样就能在下次新连接到来时，省去了创建线程、分配栈空间等一系列动作，但这个值不会是无限大的，一般都在​​32​​左右。

连接池的优化思想与​​Java​​线程池相同，会将数据库创建出的连接对象放入到一个池中，一旦出现新的访问请求会复用这些连接，一方面提升了性能，第二方面还节省了一定程度上的资源开销。

四、系统服务层

学习了​​MySQL​​网络连接层后，接下来看看系统服务层，​​MySQL​​大多数核心功能都位于这一层，包括客户端​​SQL​​请求解析、语义分析、查询优化、缓存以及所有的内置函数（例如：日期、时间、统计、加密函数...），所有跨引擎的功能都在这一层实现，譬如存储过程、触发器和视图等一系列服务。

也就是上述这几部分，主要包含​​SQL​​接口、解析器、优化器以及缓存相关的这些部分。当然，也许你会问我还有一个[管理服务&工具组件]呢，这块其实属于全局的，属于​​MySQL​​的基础设施服务，接下来一个个的讲一下服务层的各个细节吧。

4.1、SQL接口

​​SQL​​接口组件，这个名词听上去似乎不太容易理解，其实主要作用就是负责处理客户端的​​SQL​​语句，当客户端连接建立成功之后，会接收客户端的​​SQL​​命令，比如​​DML、DDL​​语句以及存储过程、触发器等，当收到​​SQL​​语句时，​​SQL​​接口会将其分发给其他组件，然后等待接收执行结果的返回，最后会将其返回给客户端。

简单来说，也就是​​SQL​​接口会作为客户端连接传递​​SQL​​语句时的入口，并且作为数据库返回数据时的出口。

对于这个组件没太多好聊的，简单展开两点叙述一下后就结束这个话题，第一点是对于​​SQL​​语句的类型划分，第二点则是触发器。在​​SQL​​中会分为五大类：

• ​​DML​​：数据库操作语句，比如​​update、delete、insert​​等都属于这个分类。
• ​​DDL​​：数据库定义语句，比如​​create、alter、drop​​等都属于这个分类。
• ​​DQL​​：数据库查询语句，比如最常见的​​select​​就属于这个分类。
• ​​DCL​​：数据库控制语句，比如​​grant、revoke​​控制权限的语句都属于这个分类。
• ​​TCL​​：事务控制语句，例如​​commit、rollback、setpoint​​等语句属于这个分类。

再来聊一聊​​MySQL​​的触发器，这东西估计大部分小伙伴没用过，但它在有些情景下还较为实用，不过想要了解触发器是什么，首先咱们还得先理解存储过程。

存储过程：是指提前编写好的一段较为常用或复杂​​SQL​​语句，然后指定一个名称存储起来，然后先经过编译、优化，完成后，这个“过程”会被嵌入到​​MySQL​​中。

也就是说，[存储过程]的本质就是一段预先写好并编译完成的​​SQL​​，而我们要聊的触发器则是一种特殊的存储过程，但[触发器]与[存储过程]的不同点在于：存储过程需要手动调用后才可执行，而触发器可由某个事件主动触发执行。在​​MySQL​​中支持​​INSERT、UPDATE、DELETE​​三种事件触发，同时也可以通过​​AFTER、BEFORE​​语句声明触发的时机，是在操作执行之前还是执行之后。

说简单一点，[​​MySQL​​触发器]就类似于​​Spring​​框架中的​​AOP​​切面。

OK~，至此就先打住，对于这些概念暂且了解到这里，后续会专门去聊​​MySQL​​的存储过程、触发器、视图等这些特殊的操作。

4.2、解析器

客户端连接发送的​​SQL​​语句，经过​​SQL​​接口后会被分发到解析器，解析器这东西其实在所有语言中都存在，​​Java、C、Go...​​等其他语言都有，解析器的作用主要是做词法分析、语义分析、语法树生成...这类工作的，如果对于这个具体过程感兴趣，可以参考之前的《JVM-执行引擎子系统-Javac编译过程》，​​Java​​源码在编写后，会经历这个过程，​​SQL​​语言同样类似。

而解析器这一步的作用主要是为了验证​​SQL​​语句是否正确，以及将​​SQL​​语句解析成​​MySQL​​能看懂的机器码指令。稍微拓展一点大家就明白了，好比如我们编写如下一条​​SQL​​：

​​select * form user;​​

然后运行会得到如下错误信息：

​​ERROR 1064 (42000): You have an error in your SQL syntax; check....​​

在上述​​SQL​​中，我们将​​from​​写成了​​form​​，结果运行时​​MySQL​​提升语法错误了，​​MySQL​​是如何发现的呢？就是在词法分析阶段，检测到了存在语法错误，因此抛出了对应的错误码及信息。当然，如果​​SQL​​正确，则会进行下一步工作，生成​​MySQL​​能看懂的执行指令。

4.3、优化器

解析器完成相应的词法分析、语法树生成....等一系列工作后，紧接着会来到优化器，优化器的主要职责在于生成执行计划，比如选择最合适的索引，选择最合适的​​join​​方式等，最终会选择出一套最优的执行计划。

当然，在这里其实有很多资料也会聊到，存在一个执行器的抽象概念，实际上执行器是不存在的，因此前面聊到过，每个客户端连接在​​MySQL​​中都用一条线程维护，而线程是操作系统的最小执行单位，因此所谓的执行器，本质上就是线程本身。

优化器生成了执行计划后，维护当前连接的线程会负责根据计划去执行​​SQL​​，这个执行的过程实际上是在调用存储引擎所提供的​​API​​。

4.4、缓存&缓冲

这块较为有趣，主要分为了读取缓存与写入缓冲，读取缓存主要是指​​select​​语句的数据缓存，当然也会包含一些权限缓存、引擎缓存等信息，但主要还是​​select​​语句的数据缓存，​​MySQL​​会对于一些经常执行的查询​​SQL​​语句，将其结果保存在​​Cache​​中，因为这些​​SQL​​经常执行，因此如果下次再出现相同的​​SQL​​时，能从内存缓存中直接命中数据，自然会比走磁盘效率更高，对于​​Cache​​是否开启可通过命令查询。

• ​​show global variables like "%query_cache_type%";​​：查询缓存是否开启。
• ​​show global variables like "%query_cache_size%";​​：查询缓存的空间大小。

同时还可以通过​​show status like'%Qcache%';​​命令查询缓存相关的统计信息。

• ​​Qcache_free_blocks​​：查询缓存中目前还有多少剩余的​​blocks​​。
• ​​Qcache_free_memory​​：查询缓存的内存大小。
• ​​Qcache_hits​​：表示有多少次查询​​SQL​​命中了缓存。
• ​​Qcache_inserts​​：表示有多少次查询​​SQL​​未命中缓存然后走了磁盘。
• ​​Qcache_lowmem_prunes​​：这个值表示有多少条缓存数据从内存中被淘汰。
• ​​Qcache_not_cached​​：表示由于自己设置了缓存规则后，有多少条数据不符合缓存条件。
• ​​Qcache_queries_in_cache​​：表示当前缓存中缓存的数据数量。
• ​​Qcache_total_blocks​​：当前缓存区中​​blocks​​的数量。

当然，由于我是​​MySQL5.7​​版本，因此对于这些依旧可以查询到，但是在高版本的​​MySQL​​中，移除了查询缓存区，毕竟命中率不高，而且查询缓存这一步还要带来额外开销，同时一般程序都会使用​​Redis​​做一次缓存，因此结合多方面的原因就移除了查询缓存的设计。

简单了解了查询缓存后，再来看看写入缓冲，这也是我说的比较有趣的点，缓冲区的设计主要是：为了通过内存的速度来弥补磁盘速度较慢对数据库造成的性能影响。在数据库中读取某页数据操作时，会先将从磁盘读到的页存放在缓冲区中，后续操作相同页的时候，可以基于内存操作。

一般来说，当你对数据库进行写操作时，都会先从缓冲区中查询是否有你要操作的页，如果有，则直接对内存中的数据页进行操作（例如修改、删除等），对缓冲区中的数据操作完成后，会直接给客户端返回成功的信息，然后​​MySQL​​会在后台利用一种名为​​Checkpoint​​的机制，将内存中更新的数据刷写到磁盘。

​​MySQL​​在设计时，通过缓冲区能减少大量的磁盘​​IO​​，从而进一步提高数据库整体性能。毕竟每次操作都走磁盘，性能自然上不去的。

PS：后续高版本的​​MySQL​​​移除了查询缓存区，但并未移除缓冲区，这是两个概念，请切记！

同时缓冲区是与存储引擎有关的，不同的存储引擎实现也不同，比如​​InnoDB​​的缓冲区叫做​​innodb_buffer_pool​​，而​​MyISAM​​则叫做​​key_buffer​​。

五、存储引擎层

存储引擎也可以理解成​​MySQL​​最重要的一层，在前面的服务层中，聚集了​​MySQL​​所有的核心逻辑操作，而引擎层则负责具体的数据操作以及执行工作。

如果有小伙伴研究过​​Oracle、SQLServer​​等数据库的实现，应该会发现这些数据库只有一个存储引擎，因为它们是闭源的，所以仅有官方自己提供的一种引擎。而​​MySQL​​则因为其开源特性，所以存在很多很多款不同的存储引擎实现，​​MySQL​​为了能够正常搭载不同的存储引擎运行，因此引擎层是被设计成可拔插式的，也就是可以根据业务特性，为自己的数据库选择不同的存储引擎。

​​MySQL​​的存储引擎主要分为官方版和民间版，前者是​​MySQL​​官方开发的，后者则是第三方开发的。存储引擎在​​MySQL​​中，相关的规范标准被定义成了一系列的接口，如果你也想要使用自己开发的存储引擎，那么只需要根据​​MySQL AB​​公司定义的准则，编写对应的引擎实现即可。

​​MySQL​​目前有非常多的存储引擎可选择，其中最为常用的则是​​InnoDB​​与​​MyISAM​​引擎，可以通过​​show variables like '%storage_engine%';​​命令来查看当前所使用的引擎。其他引擎如下：

存储引擎是​​MySQL​​数据库中与磁盘文件打交道的子系统，不同的引擎底层访问文件的机制也存在些许细微差异，引擎也不仅仅只负责数据的管理，也会负责库表管理、索引管理等，​​MySQL​​中所有与磁盘打交道的工作，最终都会交给存储引擎来完成。

后续也会有专门的文章详细聊到​​MySQL​​的存储引擎，这里先简单了解即可。

六、文件系统层

这一层则是​​MySQL​​数据库的基础，本质上就是基于机器物理磁盘的一个文件系统，其中包含了配置文件、库表结构文件、数据文件、索引文件、日志文件等各类​​MySQL​​运行时所需的文件，这一层的功能比较简单，也就是与上层的存储引擎做交互，负责数据的最终存储与持久化工作。

这一层主要可分为两个板块：①日志板块。②数据板块。

6.1、日志模块

在​​MySQL​​中主要存在七种常用的日志类型，如下：

• ①​​binlog​​二进制日志，主要记录​​MySQL​​数据库的所有写操作（增删改）。
• ②​​redo-log​​重做/重写日志，​​MySQL​​崩溃时，对于未落盘的操作会记录在这里面，用于重启时重新落盘（​​InnoDB​​专有的）。
• ③​​undo-logs​​撤销/回滚日志：记录事务开始前[修改数据]的备份，用于回滚事务。
• ④​​error-log​​：错误日志：记录​​MySQL​​启动、运行、停止时的错误信息。
• ⑤​​general-log​​常规日志，主要记录​​MySQL​​收到的每一个查询或​​SQL​​命令。
• ⑥​​slow-log​​：慢查询日志，主要记录执行时间较长的​​SQL​​。
• ⑦​​relay-log​​：中继日志，主要用于主从复制做数据拷贝。

上述列出了​​MySQL​​中较为常见的七种日志，但实际上还存在很多其他类型的日志，不过一般对调优、排查问题、数据恢复/迁移没太大帮助，用的较少，因此不再列出。

6.2、数据模块

前面聊到过，​​MySQL​​的所有数据最终都会落盘（写入到磁盘），而不同的数据在磁盘空间中，存储的格式也并不相同，因此再列举出一些​​MySQL​​中常见的数据文件类型：

• ​​db.opt​​文件：主要记录当前数据库使用的字符集和验证规则等信息。
• ​​.frm​​文件：存储表结构的元数据信息文件，每张表都会有一个这样的文件。
• ​​.MYD​​文件：用于存储表中所有数据的文件（​​MyISAM​​引擎独有的）。
• ​​.MYI​​文件：用于存储表中索引信息的文件（​​MyISAM​​引擎独有的）。
• ​​.ibd​​文件：用于存储表数据和索引信息的文件（​​InnoDB​​引擎独有的）。
• ​​.ibdata​​文件：用于存储共享表空间的数据和索引的文件（​​InnoDB​​引擎独有）。
• ​​.ibdata1​​文件：这个主要是用于存储​​MySQL​​系统（自带）表数据及结构的文件。
• ​​.ib_logfile0/.ib_logfile1​​文件：用于故障数据恢复时的日志文件。
• ​​.cnf/.ini​​：​​MySQL​​的配置文件，​​Windows​​下是​​.ini​​，其他系统大多为​​.cnf​​。
• ​​......​​

上述列举了一些​​MySQL​​中较为常见的数据文件类型，无论是前面的日志文件，亦或是现在的数据文件，这些都是后续深入剖析​​MySQL​​时会遇到的，因此在这里先有个简单认知，方便后续更好的理解​​MySQL​​。

当然，上述并没有完全列出​​MySQL​​所有的日志类型和文件类型，大家有兴趣的可以去自行翻看一下安装​​MySQL​​的目录，你会找其中找到很多其他类型的日志或数据文件~

七、MySQL架构篇小结

看到这里，《​​MySQL​​架构篇》就已经接近尾声啦，本文的主要目的是在于先对​​MySQL​​的整体架构有一个基本认知，这也为咱们后续的文章打下了坚实的基础，因为毕竟想要深入研究一个技术，那定然不能如同管中窥豹一般，仅看一个细节点，而是更应该是先窥其全貌，再深入细节。