重生

當我醒來睜開眼睛的時候，我看到辦公桌的電腦長這個樣子。

啥情況，我猝死了還是穿越了？還在我一臉懵逼的時候……

系統(tǒng)提示：蕭劍臣，你已經 dead 過一次了，現在在另一個世界獲得重生，你需要在這個世界完成一個任務，設計一款數據庫 MySQL，就能就能回到原來的世界，迎娶白富美，脫離 996，并且在這個世界的成就也能帶回原來的世界。

打開這個電腦一看，時間是 1979 年。那時 Bill Gates 退學沒多久，微軟公司也才剛剛起步，世間還沒有 996 和福報，沒有過勞猝死……

這個狗血，我居然重生了，我的機會來了……

1990 年，我接到了一個項目，客戶需要為當時的 UNIREG 提供更加通用的 SQL 接口，公司的另一個團隊負責人「郝紀曉」提議直接使用商用數據庫。

重生后的第一個副本出現了，我不能讓「郝紀曉」的提議達成，否則將永遠 「狗 dead」。

經過一番測試后，我發(fā)現商用數據庫的速度并不盡如人意，無法滿足客戶的需求。于是我聯(lián)合 Monty Widenius，他雄心大起，設計一個數據庫的任務就此開始……

MySQL 架構設計

腦子里有 MySQL 8.0 版本的架構設計思路，我在這里豈不是如魚得水，起飛，起飛，必須起飛。于是我把 MySQL 的架構設計圖畫了出來，如圖 1-1 所示。

圖片

看到如此層級的架構設計，分層明確，職責清晰，眾人驚呆了！！

但郝紀曉不懈的說到：劃分這么多層，有什么意義？該不會是脫褲子放屁多此一舉吧。

我心想，難道這是副第一個關卡出現的一個 boss，我看了看他的工牌，上面寫著資深架構師——郝紀曉。

系統(tǒng)提示音：新手任務，畫出 MySQL 系統(tǒng)架構設計圖，并解釋每一層以及每層組件的主要作用，讓眾人理解并清晰認識該架構，讓大家按照此架構開發(fā)。

好家伙，這個任務難度不大，我自信的給眾人解釋到：這個數據庫名叫 MySQL，至上而下一共分為四層，重點是 Server 服務層和存儲引擎層。

客戶端由不同語言開發(fā)的客戶端，Server 層包括連接池、安全管理、線程管理、緩存、SQL 接口、解析器、優(yōu)化器等，涵蓋了 MySQL 的大多數核心功能。

而存儲引擎層負責數據的存儲的讀取。這是一個插件式架構，支持 InnoDB、MyISAM、Memory 等多個存儲引擎。

客戶端 Client

這是一個 CS 架構，支持各種語言的客戶端連接器連接到數據庫，比如 Java、C++、JDBC 等。同時也支持 Shell 腳本直接連接。

Server 服務層

這一層至關重要，里面還還會劃分為「連接與安全管理」和「SQL 解析和優(yōu)化」兩大模塊。

服務層是 MySQL 中的核心組件，負責提供各種數據庫操作所需的基本功能，如 SQL 語法處理、事務管理、鎖管理等。

連接與安全管理

當客戶端發(fā)送連接請求時，MySQL 服務器會在連接與安全管理接收請求，分配一個線程來處理該連接，隨后進行身份驗證。具體的功能如下：

• 當客戶端發(fā)起連接請求時，MySQL 會創(chuàng)建一個專用的線程（以操作系統(tǒng)級別的線程實現）來為該客戶端服務。
• MYSQL 對 TCP 傳輸過來的賬號密碼做身份認證、權限獲?。ɡ?，是否允許客戶端對 world 數據庫中的 Country 表執(zhí)行 SELECT 語句）。驗證通過，查詢賬戶擁有的權限，并緩存起來。此鏈接是一個長鏈接
• 對于 TCP 鏈接，MySQL 采用池化技術，節(jié)省了 TCP 鏈接創(chuàng)建和銷毀的成本。
• 一個客戶端請求，必須要分配一個線程專門與客戶端進行交互，所以還有個線程池，每一個鏈接從線程池中獲取一個線程，省去了創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。把線程池占滿了，再連就報連接滿了。

SQL 解析和優(yōu)化

SQL Interface(SQL 接口，用來接受用戶的 SQL 命令，并返回需要的結果。比如 select from 就是調用 SQL Interface。

Parse 解析器

MySQL 解析查詢以創(chuàng)建內部數據結構（解析樹），然后對其進行各種優(yōu)化，包括重寫查詢、決定表的讀取順序，以及選擇合適的索引等。

Optimizer 優(yōu)化器

通過語法解析,MySQL 知道你的真實意圖了，但你寫的 SQL 不一定是高效的。

查詢之前會使用查詢優(yōu)化器確定 SQL 語句的執(zhí)行路徑，生成一個執(zhí)行計劃，這個執(zhí)行計劃表明使用哪些索引進行查詢。

Caches & Buffers 緩沖區(qū)

MySQL 內部維持著一些 Cache 和 Buffer，這個緩存機制是由一系列小緩存組成的。比如表緩存，記錄緩存，key 緩存，權限緩存等。這個查詢緩存可以在 不同客戶端之間共享。

1. 查詢緩存：當相同的 SQL 查詢被多次執(zhí)行時，可以從查詢緩存中直接獲取結果，提高性能。由于 MySQL 8.0 中已移除了查詢緩存功能，使用者需要自行實現相關功能，如使用 Redis、Memcached 等中間緩存系統(tǒng)。
2. 表緩存：用于存儲表的元數據，如表的結構定義。當查詢需要表信息時，優(yōu)先從表緩存中獲取，避免磁盤操作。
3. 線程緩存：用于復用服務器的連接線程。當一個連接關閉后，它的線程會被放回線程緩存池中，供新的連接使用。線程池意味著減少了創(chuàng)建和銷毀線程的開銷。
4. 緩沖池：主要用于 InnoDB 存儲引擎，緩沖池管理緩存的數據頁，包括數據和索引。當需要訪問這些頁時，可以直接從緩沖池讀取，提高訪問速度。

buffer 與 cache 的區(qū)別?

簡單的說就是，buffer 是寫緩存，cache 是讀緩存。

存儲引擎層

存儲引擎層負責存儲數據和執(zhí)行 SQL 語句。MySQL 支持多種存儲引擎，每種引擎各有特點，根據實際需求進行選用。當然，只要沒有非常明確的特殊需求就不需要更改存儲引擎，因為 InnoDB 在大部分場景下都比其他引擎更加適用。

InnoDB：InnoDB 是 MySQL 的默認存儲引擎，提供了事務支持、行級鎖定、外鍵約束等功能，主要用于高并發(fā)、高可靠性的 OLTP 場景。

MyISAM：MyISAM 通常用于只讀數據表，適用于簡單查詢和全文索引。其不支持事務、行級鎖等功能，適用于 OLAP 場景。

Memory：Memory 存儲引擎支持哈希和 B 樹索引，它將數據存儲在內存中，易受到系統(tǒng)斷電或宕機等影響，具有較高的寫性能但不適用于大規(guī)模數據分布。

其他存儲引擎：MySQL 還支持如 Archive、NDB Cluster 等其他存儲引擎，它們分別適用于存檔表、分布式數據庫等不同場景。

我們可以在 SQL 命令行中執(zhí)行 show engines; 來查看當前支持的存儲引擎：

mysql> show engines;
+--------------------+---------+----------------------------------------------------------------+--------------+------+------------+
| Engine             | Support | Comment                                                        | Transactions | XA   | Savepoints |
+--------------------+---------+----------------------------------------------------------------+--------------+------+------------+
| FEDERATED          | NO      | Federated MySQL storage engine                                 | NULL         | NULL | NULL       |
| MEMORY             | YES     | Hash based, stored in memory, useful for temporary tables      | NO           | NO   | NO         |
| InnoDB             | DEFAULT | Supports transactions, row-level locking, and foreign keys     | YES          | YES  | YES        |
| PERFORMANCE_SCHEMA | YES     | Performance Schema                                             | NO           | NO   | NO         |
| MyISAM             | YES     | MyISAM storage engine                                          | NO           | NO   | NO         |
| MRG_MYISAM         | YES     | Collection of identical MyISAM tables                          | NO           | NO   | NO         |
| BLACKHOLE          | YES     | /dev/null storage engine (anything you write to it disappears) | NO           | NO   | NO         |
| CSV                | YES     | CSV storage engine                                             | NO           | NO   | NO         |
| ARCHIVE            | YES     | Archive storage engine                                         | NO           | NO   | NO         |
+--------------------+---------+----------------------------------------------------------------+--------------+------+------------+
9 rows in set (0.00 sec)

文件系統(tǒng)層

文件系統(tǒng)由各操作系統(tǒng)提供，MySQL 將其持久化的數據物理存儲在磁盤上，持久化保存數據、索引、binlog、redo log、undo log、error 日志、慢 sql 等；

總結

• 服務層的連接和安全管理：用戶與 MYSQL 服務進行 TCP 鏈接，校驗用戶身份，用戶權限。
• 服務層的 SQL 解析和優(yōu)化：用戶寫的 SQL 語句會到服務層進行解析，生成語法樹。優(yōu)化 SQL 語句，生成執(zhí)行計劃。
• 引擎層：真正與磁盤進行交互，對數據進行存儲和讀取。

最后，我再附上一張在我原來的世界尤其盛行的架構圖，與 圖 1-1 最大的差別是這次用英文，如圖 1-2 所示。

圖片

我說完之后，眾人紛紛對我稱贊。CTO 覺得我的架構設計考慮的太周全了，立馬從 T3 晉升為 T4，薪資漲了 20%……

故事還沒結束，結構圖出來以后，郝紀曉說道：架構圖雖然不錯，可是還有很多問題并沒提及，我們是實干主義，不是寫個架構圖就能忽悠的。

1. 一條查詢、insert、update、delete 語句的執(zhí)行流程是怎樣的？
2. 并發(fā)如何控制？
3. 事務如何處理？
4. Server 層與存儲引擎層之間如何保證故障恢復？
5. binlog、redo log、undo log 都是什么玩意？
6. 磁盤很慢，如何將 讀寫的隨機 I/O 操作變成順序寫保證 數據庫性能？