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MySQL实战45讲 笔记

MySQL实战45讲 笔记
作者: 林晓斌

基础架构:一条SQL查询语句是如何执行的?

大多数情况下我会建议你不要使用查询缓存,为什么呢?因为查询缓存往往弊大于利。

查询缓存的失效非常频繁,只要有对一个表的更新,这个表上所有的查询缓存都会被清空。因此很可能你费劲地把结果存起来,还没使用呢,就被一个更新全清空了。对于更新压力大的数据库来说,查询缓存的命中率会非常低。除非你的业务就是有一张静态表,很长时间才会更新一次。比如,一个系统配置表,那这张表上的查询才适合使用查询缓存。

好在MySQL也提供了这种“按需使用”的方式。你可以将参数query_cache_type设置成DEMAND,这样对于默认的SQL语句都不使用查询缓存。而对于你确定要使用查询缓存的语句,可以用SQL_CACHE显式指定,像下面这个语句一样:

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select SQL_CACHE * from T where ID=10;

需要注意的是,MySQL 8.0版本直接将查询缓存的整块功能删掉了,也就是说8.0开始彻底没有这个功能了。

日志系统:一条SQL更新语句是如何执行的?

重要的日志模块:redo log

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。

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,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。

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。

如果write pos追上checkpoint,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。

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)。

我想你肯定会问,为什么会有两份日志呢?

因为最开始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。

有了对这两个日志的概念性理解,我们再来看执行器和InnoDB引擎在执行这个简单的update语句时的内部流程。

  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。

最后三步看上去有点“绕”,将redo log的写入拆成了两个步骤:prepare和commit,这就是”两阶段提交”。

两阶段提交

为什么必须有“两阶段提交”呢?这是为了让两份日志之间的逻辑一致。要说明这个问题,我们得从文章开头的那个问题说起:怎样让数据库恢复到半个月内任意一秒的状态?

前面我们说过了,binlog会记录所有的逻辑操作,并且是采用“追加写”的形式。如果你的DBA承诺说半个月内可以恢复,那么备份系统中一定会保存最近半个月的所有binlog,同时系统会定期做整库备份。这里的“定期”取决于系统的重要性,可以是一天一备,也可以是一周一备。

当需要恢复到指定的某一秒时,比如某天下午两点发现中午十二点有一次误删表,需要找回数据,那你可以这么做:

  • 首先,找到最近的一次全量备份,如果你运气好,可能就是昨天晚上的一个备份,从这个备份恢复到临时库;
  • 然后,从备份的时间点开始,将备份的binlog依次取出来,重放到中午误删表之前的那个时刻。

这样你的临时库就跟误删之前的线上库一样了,然后你可以把表数据从临时库取出来,按需要恢复到线上库去。

好了,说完了数据恢复过程,我们回来说说,为什么日志需要“两阶段提交”。这里不妨用反证法来进行解释。

由于redo log和binlog是两个独立的逻辑,如果不用两阶段提交,要么就是先写完redo log再写binlog,或者采用反过来的顺序。我们看看这两种方式会有什么问题。

仍然用前面的update语句来做例子。假设当前ID=2的行,字段c的值是0,再假设执行update语句过程中在写完第一个日志后,第二个日志还没有写完期间发生了crash,会出现什么情况呢?

  1. 先写redo log后写binlog。假设在redo log写完,binlog还没有写完的时候,MySQL进程异常重启。由于我们前面说过的,redo log写完之后,系统即使崩溃,仍然能够把数据恢复回来,所以恢复后这一行c的值是1。
    但是由于binlog没写完就crash了,这时候binlog里面就没有记录这个语句。因此,之后备份日志的时候,存起来的binlog里面就没有这条语句。
    然后你会发现,如果需要用这个binlog来恢复临时库的话,由于这个语句的binlog丢失,这个临时库就会少了这一次更新,恢复出来的这一行c的值就是0,与原库的值不同。
  2. 先写binlog后写redo log。如果在binlog写完之后crash,由于redo log还没写,崩溃恢复以后这个事务⽆效,所以这一行c的值是0。但是binlog里面已经记录了“把c从0改成1”这个日志。所以,在之后用binlog来恢复的时候就多了一个事务出来,恢复出来的这一行c的值就是1,与原库的值不同。

可以看到,如果不使用“两阶段提交”,那么数据库的状态就有可能和用它的日志恢复出来的库的状态不一致。

你可能会说,这个概率是不是很低,平时也没有什么动不动就需要恢复临时库的场景呀?
其实不是的,不只是误操作后需要用这个过程来恢复数据。当你需要扩容的时候,也就是需要再多搭建一些备库来增加系统的读能力的时候,现在常见的做法也是用全量备份加上应用binlog来实现的,这个“不一致”就会导致你的线上出现主从数据库不一致的情况。

简单说,redo log和binlog都可以用于表示事务的提交状态,而两阶段提交就是让这两个状态保持逻辑上的一致。

事务隔离:为什么你改了我还看不见?

SQL标准的事务隔离级别包括:

  • 读未提交是指,一个事务还没提交时,它做的变更就能被别的事务看到。
  • 读提交是指,一个事务提交之后,它做的变更才会被其他事务看到。
  • 可重复读是指,一个事务执行过程中看到的数据,总是跟这个事务在启动时看到的数据是一致的。当然在可重复读隔离级别下,未提交变更对其他事务也是不可见的。
  • 串行化,顾名思义是对于同一行记录,“写”会加“写锁”,“读”会加“读锁”。当出现读写锁冲突的时候,后访问的事务必须等前
    一个事务执行完成,才能继续执行。

在实现上,数据库里面会创建一个视图,访问的时候以视图的逻辑结果为准。在“可重复读”隔离级别下,这个视图是在事务启动时创建的,整个事务存在期间都用这个视图。在“读提交”隔离级别下,这个视图是在每个SQL语句开始执行的时候创建的。这里需要注意的是,“读未提交”隔离级别下直接返回记录上的最新值,没有视图概念;而“串行化”隔离级别下直接用加锁的方式来避免并行访问。

总结来说,存在即合理,哪个隔离级别都有它自己的使用场景,你要根据自己的业务情况来定。我想你可能会问那什么时候需要“可重复读”的场景呢?我们来看一个数据校对逻辑的案例。

假设你在管理一个个⼈银行账户表。一个表存了每个月月底的余额,一个表存了账单明细。这时候你要做数据校对,也就是判断上个月的余额和当前余额的差额,是否与本月的账单明细一致。你一定希望在校对过程中,即使有用户发生了一笔新的交易,也不影响你的校对结果。

这时候使用“可重复读”隔离级别就很方便。事务启动时的视图可以认为是静态的,不受其他事务更新的影响。

事务隔离的实现

理解了事务的隔离级别,我们再来看看事务隔离具体是怎么实现的。这里我们展开说明“可重复读”。

在MySQL中,实际上每条记录在更新的时候都会同时记录一条回滚操作。记录上的最新值,通过回滚操作,都可以得到前一个状态的值。

假设一个值从1被按顺序改成了2、3、4,在回滚日志里面就会有类似下面的记录。

当前值是4,但是在查询这条记录的时候,不同时刻启动的事务会有不同的read-view。如图中看到的,在视图A、B、C里面,这一个记录的值分别是1、2、4,同一条记录在系统中可以存在多个版本,就是数据库的多版本并发控制(MVCC)。对于read-view A,要得到1,就必须将当前值依次执行图中所有的回滚操作得到。

同时你会发现,即使现在有另外一个事务正在将4改成5,这个事务跟read-view A、B、C对应的事务是不会冲突的。

深入浅出索引(上)

为了让一个查询尽量少地读磁盘,就必须让查询过程访问尽量少的数据块。那么,我们就不应该使用二叉树,而是要使用“N叉”树。这里,“N叉”树中的“N”取决于数据块的大小。

以InnoDB的一个整数字段索引为例,这个N差不多是1200。这棵树高是4的时候,就可以存1200的3次方个值,这已经17亿了。考虑到树根的数据块总是在内存中的,一个10亿行的表上一个整数字段的索引,查找一个值最多只需要访问3次磁盘。其实,树的第二层也有很大概率在内存中,那么访问磁盘的平均次数就更少了。

N叉树由于在读写上的性能优点,以及适配磁盘的访问模式,已经被⼴泛应用在数据库引擎中了。

不管是哈希还是有序数组,或者N叉树,它们都是不断迭代、不断优化的产物或者解决方案。数据库技术发展到今天,跳表、LSM树等数据结构也被用于引擎设计中,这里我就不再一一展开了。

你⼼里要有个概念,数据库底层存储的核⼼就是基于这些数据模型的。每碰到一个新数据库,我们需要先关注它的数据模型,这样才能从理论上分析出这个数据库的适用场景。

在MySQL中,索引是在存储引擎层实现的,所以并没有统一的索引标准,即不同存储引擎的索引的⼯作方式并不一样。而即使多个存储引擎支持同一种类型的索引,其底层的实现也可能不同。

InnoDB 的索引模型

主键索引的叶子节点存的是整行数据。在InnoDB里,主键索引也被称为聚簇索引(clustered index)。
非主键索引的叶子节点内容是主键的值。在InnoDB里,非主键索引也被称为二级索引(secondary index)。
根据上面的索引结构说明,我们来讨论一个问题:基于主键索引和普通索引的查询有什么区别?

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// 主键列为ID的表,表中有字段k,并且在k上有索引。
create table T(
id int primary key,
k int not null,
name varchar(16),
index (k))engine=InnoDB;
  • 如果语句是select * from T where ID=500,即主键查询方式,则只需要搜索ID这棵B+树;
  • 如果语句是select * from T where k=5,即普通索引查询方式,则需要先搜索k索引树,得到ID的值为500,再到ID索引树搜索一次。这个过程称为回表。

也就是说,基于非主键索引的查询需要多扫描一棵索引树。因此,我们在应用中应该尽量使用主键查询。

索引维护

B+树为了维护索引有序性,在插入新值的时候需要做必要的维护。

你可能在一些建表规范里面见到过类似的描述,要求建表语句里一定要有自增主键。当然事⽆绝对,我们来分析一下哪些场景下应该使用自增主键,而哪些场景下不应该。

自增主键是指自增列上定义的主键,在建表语句中一般是这么定义的: NOT NULL PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT。

插入新记录的时候可以不指定ID的值,系统会获取当前ID最大值加1作为下一条记录的ID值。

也就是说,自增主键的插入数据模式,正符合了我们前面提到的递增插入的场景。每次插入一条新记录,都是追加操作,都不涉及到挪动其他记录,也不会触发叶子节点的分裂。

而有业务逻辑的字段做主键,则往往不容易保证有序插入,这样写数据成本相对较高。

除了考虑性能外,我们还可以从存储空间的⻆度来看。假设你的表中确实有一个唯一字段,比如字符串类型的身份证号,那应该用身份证号做主键,还是用自增字段做主键呢?

由于每个非主键索引的叶子节点上都是主键的值。如果用身份证号做主键,那么每个二级索引的叶子节点占用约20个字节,而如果用整型做主键,则只要4个字节,如果是长整型(bigint)则是8个字节。

显然,主键长度越小,普通索引的叶子节点就越小,普通索引占用的空间也就越小。

所以,从性能和存储空间方面考量,自增主键往往是更合理的选择。

有没有什么场景适合用业务字段直接做主键的呢?还是有的。比如,有些业务的场景需求是这样的:

  1. 只有一个索引;
  2. 该索引必须是唯一索引。

你一定看出来了,这就是典型的KV场景。

由于没有其他索引,所以也就不用考虑其他索引的叶子节点大小的问题。

这时候我们就要优先考虑上一段提到的“尽量使用主键查询”原则,直接将这个索引设置为主键,可以避免每次查询需要搜索两棵树。

深入浅出索引(下)

在下面这个表T中,如果我执行 select * from T where k between 3 and 5,需要执行几次树的搜索操作,会扫描多少行?

下面是这个表的初始化语句。

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create table T (
ID int primary key,
k int NOT NULL DEFAULT 0,
s varchar(16) NOT NULL DEFAULT '',
index k(k))
engine=InnoDB;
insert into T values(100,1, 'aa'),(200,2,'bb'),(300,3,'cc'),(500,5,'ee'),(600,6,'ff'),(700,7,'gg');

现在,我们一起来看看这条SQL查询语句的执行流程:

  1. 在k索引树上找到k=3的记录,取得 ID = 300;
  2. 再到ID索引树查到ID=300对应的R3;
  3. 在k索引树取下一个值k=5,取得ID=500;
  4. 再回到ID索引树查到ID=500对应的R4;
  5. 在k索引树取下一个值k=6,不满足条件,循环结束。

在这个过程中,回到主键索引树搜索的过程,我们称为回表。可以看到,这个查询过程读了k索引树的3条记录(步骤1、3和5),回表了两次(步骤2和4)。

覆盖索引

如果执行的语句是select ID from T where k between 3 and 5,这时只需要查ID的值,而ID的值已经在k索引树上了,因此可以直接提供查询结果,不需要回表。也就是说,在这个查询里面,索引k已经“覆盖了”我们的查询需求,我们称为覆盖索引。

索引下推

而MySQL 5.6 引入的索引下推优化(index condition pushdown), 可以在索引遍历过程中,对索引中包含的字段先做判断,直接过滤掉不满足条件的记录,减少回表次数。

全局锁和表锁

根据加锁的范围,MySQL里面的锁大致可以分成全局锁、表级锁和行锁三类。

全局锁

顾名思义,全局锁就是对整个数据库实例加锁。MySQL提供了一个加全局读锁的方法,命令是 Flush tables with read lock(FTWRL)。当你需要让整个库处于只读状态的时候,可以使用这个命令,之后其他线程的以下语句会被阻塞:数据更新语句(数据的增删改)、数据定义语句(包括建表、修改表结构等)和更新类事务的提交语句。

全局锁的典型使用场景是,做全库逻辑备份。也就是把整库每个表都select出来存成文本。

官方自带的逻辑备份⼯具是mysqldump。当mysqldump使用参数–single-transaction的时候,导数据之前就会启动一个事务,来确保拿到一致性视图。而由于MVCC的支持,这个过程中数据是可以正常更新的。

你一定在疑惑,有了这个功能,为什么还需要FTWRL呢?一致性读是好,但前提是引擎要支持这个隔离级别。比如,对于MyISAM这种不支持事务的引擎,如果备份过程中有更新,总是只能取到最新的数据,那么就破坏了备份的一致性。这时,我们就需要使用FTWRL命令了。

所以,single-transaction方法只适用于所有的表使用事务引擎的库。如果有的表使用了不支持事务的引擎,那么备份就只能通过FTWRL方法。这往往是DBA要求业务开发⼈员使用InnoDB替代MyISAM的原因之一。

你也许会问,既然要全库只读,为什么不使用set global readonly=true的方式呢?确实readonly方式也可以让全库进入只读状态,但我还是会建议你用FTWRL方式,主要有两个原因:

  • 一是,在有些系统中,readonly的值会被用来做其他逻辑,比如用来判断一个库是主库还是备库。因此,修改global变量的方式影响面更大,我不建议你使用。
  • 二是,在异常处理机制上有差异。如果执行FTWRL命令之后由于客户端发生异常断开,那么MySQL会自动释放这个全局锁,整个库回到可以正常更新的状态。而将整个库设置为readonly之后,如果客户端发生异常,则数据库就会一直保持readonly状态,这样会导致整个库长时间处于不可写状态,风险较高。

表级锁

MySQL里面表级别的锁有两种:一种是表锁,一种是元数据锁(meta data lock,MDL)。

表锁的语法是 lock tables … read/write。与FTWRL类似,可以用unlock tables主动释放锁,也可以在客户端断开的时候自动释放。需要注意,lock tables语法除了会限制别的线程的读写外,也限定了本线程接下来的操作对象。

举个例子, 如果在某个线程A中执行lock tables t1 read, t2 write; 这个语句,则其他线程写t1、读写t2的语句都会被阻塞。同时,线程A在执行unlock tables之前,也只能执行读t1、读写t2的操作。连写t1都不允许,自然也不能访问其他表。

在还没有出现更细粒度的锁的时候,表锁是最常用的处理并发的方式。而对于InnoDB这种支持行锁的引擎,一般不使用lock tables命令来控制并发,毕竟锁住整个表的影响面还是太大。

另一类表级的锁是MDL(metadata lock)。MDL不需要显式使用,在访问一个表的时候会被自动加上。MDL的作用是,保证读写的正确性。你可以想象一下,如果一个查询正在遍历一个表中的数据,而执行期间另一个线程对这个表结构做变更,删了一列,那么查询线程拿到的结果跟表结构对不上,肯定是不行的。

因此,在MySQL 5.5版本中引入了MDL,当对一个表做增删改查操作的时候,加MDL读锁;当要对表做结构变更操作的时候,加MDL写锁。

  • 读锁之间不互斥,因此你可以有多个线程同时对一张表增删改查。
  • 读写锁之间、写锁之间是互斥的,用来保证变更表结构操作的安全性。因此,如果有两个线程要同时给一个表加字段,其中一个要等另一个执行完才能开始执行。

你肯定知道,给一个表加字段,或者修改字段,或者加索引,需要扫描全表的数据。在对大表操作的时候,你肯定会特别小⼼,以免对线上服务造成影响。而实际上,即使是小表,操作不慎也会出问题。我们来看一下下面的操作序列,假设表t是一个小表。

备注:这里的实验环境是MySQL 5.6。

我们可以看到session A先启动,这时候会对表t加一个MDL读锁。由于session B需要的也是MDL读锁,因此可以正常执行。之后session C会被blocked,是因为session A的MDL读锁还没有释放,而session C需要MDL写锁,因此只能被阻塞。

如果只有session C自己被阻塞还没什么关系,但是之后所有要在表t上新申请MDL读锁的请求也会被session C阻塞。前面我们说了,所有对表的增删改查操作都需要先申请MDL读锁,就都被锁住,等于这个表现在完全不可读写了。

如果某个表上的查询语句频繁,而且客户端有重试机制,也就是说超时后会再起一个新session再请求的话,这个库的线程很快就会爆满。

你现在应该知道了,事务中的MDL锁,在语句执行开始时申请,但是语句结束后并不会马上释放,而会等到整个事务提交后再释放。

行锁

在InnoDB事务中,行锁是在需要的时候才加上的,但并不是不需要了就立刻释放,而是要等到事务结束时才释放。这个就是两阶段锁协议。

知道了这个设定,对我们使用事务有什么帮助呢?那就是,如果你的事务中需要锁多个行,要把最可能造成锁冲突、最可能影响并发度的锁尽量往后放。我给你举个例子。

假设你负责实现一个电影票在线交易业务,顾客A要在影院B购买电影票。我们简化一点,这个业务需要涉及到以下操作:

  1. 从顾客A账户余额中扣除电影票价;
  2. 给影院B的账户余额增加这张电影票价;
  3. 记录一条交易日志。

也就是说,要完成这个交易,我们需要update两条记录,并insert一条记录。当然,为了保证交易的原子性,我们要把这三个操作放在一个事务中。那么,你会怎样安排这三个语句在事务中的顺序呢?

试想如果同时有另外一个顾客C要在影院B买票,那么这两个事务冲突的部分就是语句2了。因为它们要更新同一个影院账户的余额,需要修改同一行数据。

根据两阶段锁协议,不论你怎样安排语句顺序,所有的操作需要的行锁都是在事务提交的时候才释放的。所以,如果你把语句2安排在最后,比如按照3、1、2这样的顺序,那么影院账户余额这一行的锁时间就最少。这就最大程度地减少了事务之间的锁等待,提升了并发度。

事务到底是隔离的还是不隔离的?

begin/start transaction 命令并不是一个事务的起点,在执行到它们之后的第一个操作InnoDB表的语句(第一个快照读语句),事务才真正启动。如果你想要马上启动一个事务,可以使用start transaction with consistent snapshot 这个命令。

在MySQL里,有两个“视图”的概念:

  • 一个是view。它是一个用查询语句定义的虚拟表,在调用的时候执行查询语句并生成结果。创建视图的语法是create view… ,而它的查询方法与表一样。
  • 另一个是InnoDB在实现MVCC时用到的一致性读视图,即consistent read view,用于支持RC(Read Committed,读提交)和RR(Repeatable Read,可重复读)隔离级别的实现。

它没有物理结构,作用是事务执行期间用来定义“我能看到什么数据”。

“快照”在MVCC里是怎么⼯作的?

在可重复读隔离级别下,事务在启动的时候就“拍了个快照”。注意,这个快照是基于整库的。

一个数据版本,对于一个事务视图来说,除了自己的更新总是可见以外,有三种情况:

  1. 版本未提交,不可见;
  2. 版本已提交,但是是在视图创建后提交的,不可见;
  3. 版本已提交,而且是在视图创建前提交的,可见。

更新数据都是先读后写的,而这个读,只能读当前的值,称为“当前读”(current read)。

当前读的规则,就是要能读到所有已经提交的记录的最新值。

这里我们提到了一个概念,叫作当前读。其实,除了update语句外,select语句如果加锁,也是当前读。

事务更新数据的时候,只能用当前读。如果当前的记录的行锁被其他事务占用的话,就需要进入锁等待。

事务到底是隔离的还是不隔离的?

普通索引和唯一索引,应该怎么选择?

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mysql> create table T(
id int primary key,
k int not null,
name varchar(16),
index (k))engine=InnoDB;

假设字段 k 上的值都不重复。

查询过程

假设,执行查询的语句是 select id from T where k=5。这个查询语句在索引树上查找的过程,先是通过B+树从树根开始,按层搜索到叶子节点,也就是图中右下⻆的这个数据页,然后可以认为数据页内部通过二分法来定位记录。

  • 对于普通索引来说,查找到满足条件的第一个记录(5,500)后,需要查找下一个记录,直到碰到第一个不满足k=5条件的记录。
  • 对于唯一索引来说,由于索引定义了唯一性,查找到第一个满足条件的记录后,就会停止继续检索。

那么,这个不同带来的性能差距会有多少呢?答案是,微乎其微。

你知道的,InnoDB的数据是按数据页为单位来读写的。也就是说,当需要读一条记录的时候,并不是将这个记录本身从磁盘读出来,而是以页为单位,将其整体读入内存。在InnoDB中,每个数据页的大小默认是16KB。

因为引擎是按页读写的,所以说,当找到k=5的记录的时候,它所在的数据页就都在内存里了。那么,对于普通索引来说,要多做的那一次“查找和判断下一条记录”的操作,就只需要一次指针寻找和一次计算。

当然,如果k=5这个记录刚好是这个数据页的最后一个记录,那么要取下一个记录,必须读取下一个数据页,这个操作会稍微复杂一些。

但是,我们之前计算过,对于整型字段,一个数据页可以放近千个key,因此出现这种情况的概率会很低。所以,我们计算平均性能差异时,仍可以认为这个操作成本对于现在的CPU来说可以忽略不计。

更新过程

当需要更新一个数据页时,如果数据页在内存中就直接更新,而如果这个数据页还没有在内存中的话,在不影响数据一致性的前提下,InooDB会将这些更新操作缓存在change buffer中,这样就不需要从磁盘中读入这个数据页了。在下次查询需要访问这个数据页的时候,将数据页读入内存,然后执行change buffer中与这个页有关的操作。通过这种方式就能保证这个数据逻辑的正确性。

需要说明的是,虽然名字叫作change buffer,实际上它是可以持久化的数据。也就是说,change buffer在内存中有拷贝,也会被写入到磁盘上。

将change buffer中的操作应用到原数据页,得到最新结果的过程称为merge。除了访问这个数据页会触发merge外,系统有后台线程会定期merge。在数据库正常关闭(shutdown)的过程中,也会执行merge操作。

显然,如果能够将更新操作先记录在change buffer,减少读磁盘,语句的执行速度会得到明显的提升。而且,数据读入内存是需要占用buffer pool的,所以这种方式还能够避免占用内存,提高内存利用率。

那么,什么条件下可以使用change buffer呢?

对于唯一索引来说,所有的更新操作都要先判断这个操作是否违反唯一性约束。比如,要插入(4,400)这个记录,就要先判断现在表中是否已经存在k=4的记录,而这必须要将数据页读入内存才能判断。如果都已经读入到内存了,那直接更新内存会更快,就没必要使用change buffer了。

因此,唯一索引的更新就不能使用change buffer,实际上也只有普通索引可以使用。

普通索引和唯一索引,应该怎么选择?

MySQL为什么有时候会选错索引?

MySQL在真正开始执行语句之前,并不能精确地知道满足这个条件的记录有多少条,而只能根据统计信息来估算记录数。

估算出来的数字有可能会不准确,从而导致索引选择不对。

MySQL为什么有时候会选错索引?

怎么给字符串字段加索引?

  1. 直接创建完整索引,这样可能比较占用空间;
  2. 创建前缀索引,节省空间,但会增加查询扫描次数,并且不能使用覆盖索引;
  3. 倒序存储,再创建前缀索引,用于绕过字符串本身前缀的区分度不够的问题;
  4. 创建hash字段索引,查询性能稳定,有额外的存储和计算消耗,跟第三种方式一样,都不支持范围扫描。

为什么我的MySQL会“抖”一下?

MySQL偶尔“抖”一下的那个瞬间,可能就是在刷脏页(flush)。

那么,什么情况会引发数据库的flush过程呢?

第一种场景是,InnoDB的redo log写满了。这时候系统会停止所有更新操作,把checkpoint往前推进,redo log留出空间可以继续写。

第二种场景是,就是系统内存不足。当需要新的内存页,而内存不够用的时候,就要淘汰一些数据页,空出内存给别的数据页使用。如果淘汰的是“脏页”,就要先将脏页写到磁盘。

你一定会说,这时候难道不能直接把内存淘汰掉,下次需要请求的时候,从磁盘读入数据页,然后拿redo log出来应用不就行了?这里其实是从性能考虑的。如果刷脏页一定会写盘,就保证了每个数据页有两种状态:

  • 一种是内存里存在,内存里就肯定是正确的结果,直接返回;
  • 另一种是内存里没有数据,就可以肯定数据文件上是正确的结果,读入内存后返回。这样的效率最高。

第三种场景是,就是MySQL认为系统“空闲”的时候。
第四种场景是,就是MySQL正常关闭的情况。这时候,MySQL会把内存的脏页都flush到磁盘上,这样下次MySQL启动的时候,就可以直接从磁盘上读数据,启动速度会很快。

刷脏页虽然是常态,但是出现以下这两种情况,都是会明显影响性能的:

  1. 一个查询要淘汰的脏页个数太多,会导致查询的响应时间明显变长;
  2. 日志写满,更新全部堵住,写性能跌为0,这种情况对敏感业务来说,是不能接受的。

所以,InnoDB需要有控制脏页比例的机制,来尽量避免上面的这两种情况。

InnoDB刷脏页的控制策略

合理地设置innodb_io_capacity的值,并且平时要多关注脏页比例,不要让它经常接近75%。

更详细的关于innodb_io_capacity、innodb_max_dirty_pages_pct等参数的设置参见:为什么我的MySQL会“抖”一下?

为什么表数据删掉一半,表文件大小不变?

delete命令其实只是把记录的位置,或者数据页标记为了“可复用”,但磁盘文件的大小是不会变的。也就是说,通过delete命令是不能回收表空间的。这些可以复用,而没有被使用的空间,看起来就像是“空洞”。

实际上,不止是删除数据会造成空洞,插入数据也会。

如果数据是按照索引递增顺序插入的,那么索引是紧凑的。但如果数据是随机插入的,就可能造成索引的数据页分裂。

表空间收缩的方式:重建表

重建表的方式及需要注意的问题,参见:为什么表数据删掉一半,表文件大小不变?

count()这么慢,我该怎么办?

count(*)的实现方式

在不同的MySQL引擎中,count(*)有不同的实现方式。

  • MyISAM引擎把一个表的总行数存在了磁盘上,因此执行count(*)的时候会直接返回这个数,效率很高;
  • 而InnoDB引擎就麻烦了,它执行count(*)的时候,需要把数据一行一行地从引擎里面读出来,然后累积计数。

这里需要注意的是,我们在这篇文章里讨论的是没有过滤条件的count(*),如果加了where 条件的话,MyISAM表也是不能返回得这么快的。

那为什么InnoDB不跟MyISAM一样,也把数字存起来呢?
这是因为即使是在同一个时刻的多个查询,由于多版本并发控制(MVCC)的原因,InnoDB表“应该返回多少行”也是不确定的。

由于InnoDB要支持事务,从而导致InnoDB表不能把count(*)直接存起来,然后查询的时候直接返回形成的。

所谓以子之矛攻子之盾,现在我们就利用“事务”这个特性,把问题解决掉。

我们来看下现在的执行结果。虽然会话B的读操作仍然是在T3执行的,但是因为这时候更新事务还没有提交,所以计数值加1这个操作对会话B还不可见。

因此,会话B看到的结果里, 查计数值和“最近100条记录”看到的结果,逻辑上就是一致的。

不同的count用法

count(*)、count(主键id)和count(1) 都表示返回满足条件的结果集的总行数;而count(字段),则表示返回满足条件的数据行里面,参数“字段”不为NULL的总个数。

至于分析性能差别的时候,你可以记住这么几个原则:

  1. server层要什么就给什么;
  2. InnoDB只给必要的值;
  3. 现在的优化器只优化了count(*)的语义为“取行数”,其他“显而易见”的优化并没有做。

对于count(主键id)来说,InnoDB引擎会遍历整张表,把每一行的id值都取出来,返回给server层。server层拿到id后,判断是不可能为空的,就按行累加。

对于count(1)来说,InnoDB引擎遍历整张表,但不取值。server层对于返回的每一行,放一个数字“1”进去,判断是不可能为空的,按行累加。

单看这两个用法的差别的话,你能对比出来,count(1)执行得要比count(主键id)快。因为从引擎返回id会涉及到解析数据行,以及拷贝字段值的操作。

对于count(字段)来说:

  1. 如果这个“字段”是定义为not null的话,一行行地从记录里面读出这个字段,判断不能为null,按行累加;
  2. 如果这个“字段”定义允许为null,那么执行的时候,判断到有可能是null,还要把值取出来再判断一下,不是null才累加。

也就是前面的第一条原则,server层要什么字段,InnoDB就返回什么字段。
但是count(*)是例外,并不会把全部字段取出来,而是专门做了优化,不取值。count(*)肯定不是null,按行累加。

所以结论是:按照效率排序的话,count(字段)<count(主键id)<count(1)≈count(*),所以我建议你,尽量使用count(*)。

答疑:日志和索引相关问题

  • MySQL怎么知道binlog是完整的?
  • redo log 和 binlog是怎么关联起来的?
  • 处于prepare阶段的redo log加上完整binlog,重启就能恢复,MySQL为什么要这么设计?
  • 如果这样的话,为什么还要两阶段提交呢?干脆先redo log写完,再写binlog。崩溃恢复的时候,必须得两个日志都完整才可以。是不是一样的逻辑?
  • 不引入两个日志,也就没有两阶段提交的必要了。只用binlog来支持崩溃恢复,又能支持归档,不就可以了?
  • 那能不能反过来,只用redo log,不要binlog?
  • redo log一般设置多大?
  • 正常运行中的实例,数据写入后的最终落盘,是从redo log更新过来的还是从buffer pool更新过来的呢?
  • redo log buffer是什么?是先修改内存,还是先写redo log文件?

详细解答参见:答疑:日志和索引相关问题?

“order by”是怎么工作的?

sort_buffer_size,就是MySQL为排序开辟的内存(sort_buffer)的大小。如果要排序的数据量小于sort_buffer_size,排序就在内存中完成。但如果排序数据量太大,内存放不下,则不得不利用磁盘临时文件辅助排序。

optimizer_trace 可支持把MySQL查询执行计划树打印出来。

“order by”是怎么工作的?

为什么这些SQL语句逻辑相同,性能却差异巨大?

隐式类型转换

数据库里面类型这么多,这种数据类型转换规则更多,我记不住,应该怎么办呢?

这里有一个简单的方法,看 select “10” > 9 的结果:

  1. 如果规则是“将字符串转成数字”,那么就是做数字比较,结果应该是1;
  2. 如果规则是“将数字转成字符串”,那么就是做字符串比较,结果应该是0。

隐式字符编码转换

不同表之间字符集不同,可能会导致索引失效。

具体例子可以参见下文,第3小结:
为什么这些SQL语句逻辑相同,性能却差异巨大?

为什么我只查一行的语句,也执行这么慢?

查询长时间不返回

等MDL锁
等flush
等行锁

查询慢

详细排查过程参见:为什么我只查一行的语句,也执行这么慢?

幻读是什么,幻读有什么问题?

如何解决幻读?

产生幻读的原因是,行锁只能锁住行,但是新插入记录这个动作,要更新的是记录之间的“间隙”。因此,为了解决幻读问题,InnoDB只好引入新的锁,也就是间隙锁(Gap Lock)。

间隙锁和行锁合称next-key lock,每个next-key lock是前开后闭区间。

间隙锁是在可重复读隔离级别下才会生效的。所以,你如果把隔离级别设置为读提交的话,就没有间隙锁了。但同时,你要解决可能出现的数据和日志不一致问题,需要把binlog格式设置为row。这,也是现在不少公司使用的配置组合。

为什么我只改一行的语句,锁这么多?

加锁规则里面,包含了两个“原则”、两个“优化”和一个“bug”。

  1. 原则1:加锁的基本单位是next-key lock。希望你还记得,next-key lock是前开后闭区间。
  2. 原则2:查找过程中访问到的对象才会加锁。
  3. 优化1:索引上的等值查询,给唯一索引加锁的时候,next-key lock退化为行锁。
  4. 优化2:索引上的等值查询,向右遍历时且最后一个值不满足等值条件的时候,next-key lock退化为间隙锁。
  5. 一个bug:唯一索引上的范围查询会访问到不满足条件的第一个值为止。

MySQL后面的版本可能会改变加锁策略,所以这个规则只限于截止到现在的最新版本,即5.x系列<=5.7.24,8.0系列<=8.0.13。

间隙锁、行锁、next-key lock案例分析:为什么我只改一行的语句,锁这么多?

MySQL有哪些“饮鸩止渴”提高性能的方法

  • 短连接风暴
    • 先处理掉那些占着连接但是不⼯作的线程
    • 减少连接过程的消耗
  • 慢查询性能问题
    • 索引没有设计好
    • 语句没写好
  • QPS突增问题

更加详细的处理方法参见:MySQL有哪些“饮鸩止渴”提高性能的方法

MySQL是怎么保证数据不丢的?

WAL机制主要得益于两个方面:

  1. redo log 和 binlog都是顺序写,磁盘的顺序写比随机写速度要快;
  2. 组提交机制,可以大幅度降低磁盘的IOPS消耗。

事务执行期间,还没到提交阶段,如果发生crash的话,redo log肯定丢了,这会不会导致主备不一致呢?
回答:不会。因为这时候binlog 也还在binlog cache里,没发给备库。crash以后redo log和binlog都没有了,从业务⻆度看这个事务也没有提交,所以数据是一致的。

MySQL是怎么保证数据不丢的?

MySQL是怎么保证主备一致的?

MySQL是怎么保证主备一致的?

MySQL是怎么保证高可用的?

MySQL是怎么保证高可用的?

备库为什么会延迟好几个小时?

  • MySQL 5.5版本的并行复制策略
    • 按表分发策略
    • 按行分发策略
  • MySQL 5.6版本的并行复制策略
  • MariaDB的并行复制策略
  • MySQL 5.7的并行复制策略
  • MySQL 5.7.22的并行复制策略

备库为什么会延迟好几个小时?

主库出问题了从库怎么办?

  • 基于位点的主备切换
  • GTID
  • 基于 GTID 的主备切换
  • GTID 和在线 DDL

主库出问题了从库怎么办?

读写分离有哪些坑?

  • 强制走主库方案
  • sleep 方案
  • 判断主备无延迟方案
  • 配合 semi-sync 方案
  • 等主库位点方案
  • 等 GTID 方案

读写分离有哪些坑?

如何判断一个数据库是不是出问题了?

  • select 1 判断
  • 查表判断
  • 更新判断
  • 内部统计

如何判断一个数据库是不是出问题了?

误删数据后除了跑路还能怎么办?

  • 误删行
  • 误删库/表
  • 延迟复制备库
  • 预防误删库/表的方法
  • rm 删除数据

误删数据后除了跑路还能怎么办?

为什么还有kill不掉的语句?

为什么还有kill不掉的语句?

关于Join

到底可不可以使用join?

join语句怎么优化?

自增主键为什么不是连续的?

在 MyISAM 引擎里面,自增值是被写在数据文件上的。而在 InnoDB 中,自增值是被记录在内存的。 MySQL 直到 8.0 版本,才给 InnoDB 表的自增值加上了持久化的能力,确保重启前后一个表的自增值不变。

自增主键为什么不是连续的?

insert语句的锁为什么这么多?

insert … select 是很常见的在两个表之间拷贝数据的方法。你需要注意,在可重复读隔离级别下,这个语句会给 select 的表里扫描到的记录和间隙加读锁。
而如果 insert 和 select 的对象是同一个表,则有可能会造成循环写入。这种情况下,我们需要引入用户临时表来做优化。
insert 语句如果出现唯一键冲突,会在冲突的唯一值上加共享的 next-key lock(S 锁 ) 。因此,碰到由于唯一键约束导致报错后,要尽快提交或回滚事务,避免加锁时间过长。

怎么最快地复制一张表?

介绍了三种将一个表的数据导入到另外一个表中的方法。

我们来对比一下这三种方法的优缺点。

  1. 物理拷贝的方式速度最快,尤其对于大表拷贝来说是最快的方法。如果出现误删表的情况,用备份恢复出误删之前的临时库,然后再把临时库中的表拷贝到生产库上,是恢复数据最快的方法。但是,这种方法的使用也有一定的局限性:
    • 必须是全表拷贝,不能只拷贝部分数据;
    • 需要到服务器上拷贝数据,在用户无法登录数据库主机的场景下无法使用;
    • 由于是通过拷贝物理文件实现的,源表和目标表都是使用 InnoDB 引擎时才能使用。
  2. 用 mysqldump 生成包含 INSERT 语句文件的方法,可以在 where 参数增加过滤条件,来实现只导出部分数据。这个方式的不足之一是,不能使用 join 这种比较复杂的 where 条件写法。
  3. 用 select … into outfile 的方法是最灵活的,支持所有的SQL写法。但,这个方法的缺点之一就是,每次只能导出一张表的数据,而且表结构也需要另外的语句单独备份。

后两种方式都是逻辑备份方式,是可以跨引擎使用的。

具体操作可以参见:怎么最快地复制一张表?

grant之后要跟着flush privileges吗?

grant 语句会同时修改数据表和内存,判断权限的时候使用的是内存数据。因此,规范地使用grant 和 revoke 语句,是不需要随后加上 flush privileges 语句的。

flush privileges 语句本身会用数据表的数据重建一份内存权限数据,所以在权限数据可能存在不一致的情况下再使用。而这种不一致往往是由于直接用 DML 语句操作系统权限表导致的,所以我们尽量不要使用这类语句。

具体授权操作可以参见:grant之后要跟着flush privileges吗?

要不要使用分区表?

分区表是什么?

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CREATE TABLE `t` (
`ftime` datetime NOT NULL,
`c` int(11) DEFAULT NULL,
KEY (`ftime`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1
PARTITION BY RANGE (YEAR(ftime))
(PARTITION p_2017 VALUES LESS THAN (2017) ENGINE = InnoDB,
PARTITION p_2018 VALUES LESS THAN (2018) ENGINE = InnoDB,
PARTITION p_2019 VALUES LESS THAN (2019) ENGINE = InnoDB,
PARTITION p_others VALUES LESS THAN MAXVALUE ENGINE = InnoDB);
insert into t values('2017-4-1',1),('2018-4-1',1);

我在表 t 中初始化插入了两行记录,按照定义的分区规则,这两行记录分别落在 p_2018 和 p_2019这两个分区上。

可以看到,这个表包含了一个 .frm 文件和 4 个 .ibd 文件,每个分区对应一个 .ibd 文件。也就是说:

  • 对于引擎层来说,这是 4 个表
  • 对于 Server 层来说,这是 1 个表

分区表的 server 层行为

如果从 server 层看的话,一个分区表就只是一个表。

  1. MySQL 在第一次打开分区表的时候,需要访问所有的分区;
  2. 在 server 层,认为这是同一张表,因此所有分区共用同一个 MDL 锁
  3. 在引擎层,认为这是不同的表,因此 MDL 锁之后的执行过程,会根据分区表规则,只访问必要的分区

分区表的应用场景

分区表的一个显而易见的优势是对业务透明,相对于用户分表来说,使用分区表的业务代码更简洁。还有,分区表可以很方便的清理历史数据。

如果一项业务跑的时间足够长,往往就会有根据时间删除历史数据的需求。这时候,按照时间分区的分区表,就可以直接通过 alter table t drop partition … 这个语法删掉分区,从而删掉过期的历史数据。

这个 alter table t drop partition … 操作是直接删除分区文件,效果跟 drop 普通表类似。与使用delete 语句删除数据相比,优势是速度快、对系统影响小。

小结

实际使用时,分区表跟用户分表比起来,有两个绕不开的问题:一个是第一次访问的时候需要访问所有分区,另一个是共用 MDL 锁。

因此,如果要使用分区表,就不要创建太多的分区。我见过一个用户做了按天分区策略,然后预先创建了10年的分区。这种情况下,访问分区表的性能自然是不好的。这里有两个问题需要注意:

  1. 分区并不是越细越好。实际上,单表或者单分区的数据一千万行,只要没有特别大的索引,对于现在的硬件能力来说都已经是小表了。
  2. 分区也不要提前预留太多,在使用之前预先创建即可。比如,如果是按月分区,每年年底时再把下一年度的 12 个新分区创建上即可。对于没有数据的历史分区,要及时的 drop 掉。

至于分区表的其他问题,比如查询需要跨多个分区取数据,查询性能就会比较慢,基本上就不是分区表本身的问题,而是数据量的问题或者说是使用方式的问题了。

当然,如果你的团队已经维护了成熟的分库分表中间件,用业务分表,对业务开发同学没有额外的复杂性,对 DBA 也更直观,自然是更好的。

答疑文章:说一说这些好问题

join 的写法

  1. 如果用 left join 的话,左边的表一定是驱动表吗?
  2. 如果两个表的 join 包含多个条件的等值匹配,是都要写到 on 里面呢,还是只把一个条件写到on 里面,其他条件写到 where 部分?

使用 left join 时,左边的表不一定是驱动表。
如果需要 left join 的语义,就不能把被驱动表的字段放在 where 条件里面做等值判断或不等值判断,必须都写在 on 里面。

Simple Nested Loop Join 的性能问题

虽然 BNL(Block Nested-Loop Join)算法和 Simple Nested Loop Join 算法都是要判断 M*N 次( M 和 N 分别是 join 的两个表的行数),但是 Simple Nested Loop Join 算法的每轮判断都要走全表扫描,因此性能上 BNL 算法执行起来会快很多。
为了便于说明,我还是先为你简单描述一下这两个算法。
BNL 算法的执行逻辑是:

  1. 首先,将驱动表的数据全部读入内存 join_buffer 中,这里 join_buffer 是无序数组
  2. 然后,顺序遍历被驱动表的所有行,每一行数据都跟 join_buffer 中的数据进行匹配,匹配成功则作为结果集的一部分返回。

Simple Nested Loop Join 算法的执行逻辑是:顺序取出驱动表中的每一行数据,到被驱动表去做全表扫描匹配,匹配成功则作为结果集的一部分返回。

这两位同学的疑问是, Simple Nested Loop Join 算法,其实也是把数据读到内存里,然后按照匹配条件进行判断,为什么性能差距会这么大呢?

解释这个问题,需要用到 MySQL 中索引结构和 Buffer Pool 的相关知识点:

  1. 在对被驱动表做全表扫描的时候,如果数据没有在 Buffer Pool 中,就需要等待这部分数据从磁盘读入;
    从磁盘读入数据到内存中,会影响正常业务的 Buffer Pool 命中率,而且这个算法天然会对被驱动表的数据做多次访问,更容易将这些数据页放到 Buffer Pool 的头部;
  2. 即使被驱动表数据都在内存中,每次查找 “ 下一个记录的操作 ” ,都是类似指针操作。而join_buffer中是数组,遍历的成本更低。

所以说, BNL 算法的性能会更好。

distinct 和 group by 的性能

具体举例描述可以参见:答疑文章:说一说这些好问题

自增id用完怎么办?

每种自增 id 有各自的应用场景,在达到上限后的表现也不同:

  1. 表的自增 id 达到上限后,再申请时它的值就不会改变,进而导致继续插入数据时报主键冲突的错误。
  2. row_id 达到上限后,则会归 0 再重新递增,如果出现相同的 row_id ,后写的数据会覆盖之前的数据。
  3. Xid 只需要不在同一个 binlog 文件中出现重复值即可。虽然理论上会出现重复值,但是概率极小,可以忽略不计。
  4. InnoDB 的 max_trx_id 递增值每次 MySQL 重启都会被保存起来。
  5. thread_id 是我们使用中最常见的,而且也是处理得最好的一个自增 id 逻辑了。

具体举例描述可以参见:自增id用完怎么办?

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