[MySQL进阶]——逻辑架构

笔记整理自 【宋红康】MySQL数据库（mysql安装/基础/高级/优化），并从《MySQL实战45讲》作为补充

💻逻辑架构剖析

　📌服务器处理客户端请求

🎥整体结构

🎬简化结构图

简化为三层结构：

1. 连接层：客户端和服务器端建立连接，客户端发送 SQL 至服务器端；
2. SQL 层（服务层）：对 SQL 语句进行查询处理；与数据库文件的存储方式无关；
3. 存储引擎层：与数据库文件打交道，负责数据的存储和读取。

第1层：连接层

系统（客户端）访问 MySQL 服务器前，做的第一件事就是建立 TCP 连接。 经过三次握手建立连接成功后， MySQL 服务器对 TCP 传输过来的账号密码做身份认证、权限获取。

• 用户名或密码不对，会收到一个Access denied for user错误，客户端程序结束执行

• 用户名密码认证通过，会从权限表查出账号拥有的权限与连接关联，之后的权限判断逻辑，都将依 赖于此时读到的权限

TCP 连接收到请求后，必须要分配给一个线程专门与这个客户端的交互。所以还会有个线程池，去走后 面的流程。每一个连接从线程池中获取线程，省去了创建和销毁线程的开销。

第2层：服务层

• SQL Interface: SQL接口

• 接收用户的SQL命令，并且返回用户需要查询的结果。比如SELECT … FROM就是调用SQL Interface

• MySQL支持DML（数据操作语言）、DDL（数据定义语言）、存储过程、视图、触发器、自定 义函数等多种SQL语言接口

• Parser: 解析器

• 在解析器中对 SQL 语句进行语法分析、语义分析。将SQL语句分解成数据结构，并将这个结构 传递到后续步骤，以后SQL语句的传递和处理就是基于这个结构的。如果在分解构成中遇到错 误，那么就说明这个SQL语句是不合理的。

• 在SQL命令传递到解析器的时候会被解析器验证和解析，并为其创建 语法树 ，并根据数据字 典丰富查询语法树，会 验证该客户端是否具有执行该查询的权限 。创建好语法树后，MySQL还 会对SQl查询进行语法上的优化，进行查询重写。

• Optimizer: 查询优化器

• SQL语句在语法解析之后、查询之前会使用查询优化器确定 SQL 语句的执行路径，生成一个 执行计划 。

• 这个执行计划表明应该 使用哪些索引 进行查询（全表检索还是使用索引检索），表之间的连 接顺序如何，最后会按照执行计划中的步骤调用存储引擎提供的方法来真正的执行查询，并将 查询结果返回给用户。

• 它使用“ 选取-投影-连接 ”策略进行查询。例如：

  SELECT id,name FROM student WHERE gender = '女';
  

  这个SELECT查询先根据WHERE语句进行 选取 ，而不是将表全部查询出来以后再进行gender过 滤。 这个SELECT查询先根据id和name进行属性 投影 ，而不是将属性全部取出以后再进行过 滤，将这两个查询条件 连接 起来生成最终查询结果。

• Caches & Buffers： 查询缓存组件

• MySQL内部维持着一些Cache和Buffer，比如Query Cache用来缓存一条SELECT语句的执行结 果，如果能够在其中找到对应的查询结果，那么就不必再进行查询解析、优化和执行的整个过 程了，直接将结果反馈给客户端。

• 这个缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存，记录缓存，key缓存，权限缓存等 。

• 这个查询缓存可以在 不同客户端之间共享 。

• 从MySQL 5.7.20开始，不推荐使用查询缓存，并在 MySQL 8.0中删除 。

第3层：引擎层

插件式存储引擎层（ Storage Engines），真正的负责了MySQL中数据的存储和提取，对物理服务器级别 维护的底层数据执行操作，服务器通过API与存储引擎进行通信。不同的存储引擎具有的功能不同，这样 我们可以根据自己的实际需要进行选取。

第四层：存储层

所有的数据，数据库、表的定义，表的每一行的内容，索引，都是存在 文件系统 上，以 文件 的方式存 在的，并完成与存储引擎的交互。当然有些存储引擎比如InnoDB，也支持不使用文件系统直接管理裸设 备，但现代文件系统的实现使得这样做没有必要了。在文件系统之下，可以使用本地磁盘，可以使用 DAS、NAS、SAN等各种存储系统。

⏰SQL执行流程

📌MySQL 中的 SQL执行流程

SQL 语句在 MySQL 中的流程是： SQL语句→查询缓存→解析器→优化器→执行器 。

1、查询缓存阶段

Server 如果在查询缓存中发现了这条 SQL 语句，就会直接将结果返回给客户端；如果没 有，就进入到解析器阶段。需要说明的是，因为查询缓存往往效率不高，所以在 MySQL8.0 之后就抛弃 了这个功能。

⚠️大多数情况下查询缓存没什么用，原因如下：

• 查询缓存是提前把查询结果缓存起来，这样下次不需要执行就可以直接拿到结果。
• 只有相同的查询操作才会命中查询缓存 。两个查询请求在任何字符上的不同（例如：空格、注释、 大小写），都会导致缓存不会命中。
• 如果查询请求中包含某些系统函数、用户自定义变量和函数、一些系统表，那这个请求就不会被缓存
• 该表的 结构或者数据被修改，那使用该表的所有高速缓存查询都将变为无效并从高 速缓存中删除！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。

2、解析器处理

在解析器中对 SQL 语句进行语法分析、语义分析。

• 词法分析：你输入的是由多个字符串和空格组成的一条SQL语句，MySQL需要识别出里面的字符串分别是什么，代表什么。
• 语法分析：根据词法分析的结果，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。

如果SQL语句正确，则会生成一个这样的语法树：

3、优化器处理

在优化器中会确定 SQL 语句的执行路径，比如是根据 全表检索 ，还是根据 索引检索 等。 比如你执行下面这样的语句，这个语句是执行两个表的join：

mysql> select * from t1 join t2 using(ID)  where t1.c=10 and t2.d=20;

• 既可以先从表t1里面取出c=10的记录的ID值，再根据ID值关联到表t2，再判断t2里面d的值是否等于20。

• 也可以先从表t2里面取出d=20的记录的ID值，再根据ID值关联到t1，再判断t1里面c的值是否等于10。

这两种执行方法的逻辑结果是一样的，但是执行的效率会有不同，而优化器的作用就是决定选择使用哪一个方案。

📢在查询优化器中，可以分为 逻辑查询 优化阶段和 物理查询 优化阶段。

4、 执行器处理

在执行之前需要判断该用户是否 具备权限 。如果没有，就会返回权限错误。如果具备权限，就执行 SQL 查询并返回结果。在 MySQL8.0 以下的版本，如果设置了查询缓存，这时会将查询结果进行缓存。

🖇️SQL语法顺序

优化器会分析不同执行顺序产生的性能消耗不同 而动态调整执行顺序。

🧑‍🤝‍🧑 需求：查询每个部门年龄高于20岁的人数且高于20岁人数不能少于2人，显示人数最多的第一名部门信息 下面是经常出现的查询顺序：

🗃️数据库缓冲池(buffer pool）

📌1、定义

📣为了能让数据表或者索引中的数据随时被我们所用，DBMS 会申请 占用内存来作为 数据缓冲池 ，在真正访问页面之前，需要把在磁盘上的页缓存到内存中的 Buffer Pool 之后才可以访 问。可以让磁盘活动最小化，从而 减少与磁盘直接进行 I/O 的时间。

在 InnoDB 存储引擎中有一部分数据会放到内存中，缓冲池则占了这部分内存的大部分，它用来存储各种 数据的缓存，如下图所示：

⚙️2、缓存的原则：

“ 位置 * 频次 ”这个原则，可以帮我们对 I/O 访问效率进行优化。 首先，位置决定效率，提供缓冲池就是为了在内存中可以直接访问数据。 其次，频次决定优先级顺序。因为缓冲池的大小是有限的，比如磁盘有 200G，但是内存只有 16G，缓冲 池大小只有 1G，就无法将所有数据都加载到缓冲池里，这时就涉及到优先级顺序，会 优先对使用频次高 的热数据进行加载 。

📰 3、缓冲池的预读特性

预读是Innodb 通过在缓冲池中提前读取多个数据页来优化 I/O 的一种方式。因为磁盘读写的时候，是按照页的方式来读取的（你可以理解为固定大小的数据，例如一页数据为 16K），每次至少读入一页的数据，如果下次读取的数据就在页中，就不用再去磁盘上读取了，从而减少了磁盘 I/O。

⚠️缓冲池和查询缓存是一个东西吗？不是。

缓冲池存放的是各种经常被使用的数据，而查询缓存的是查询结果

🔍4、缓冲池如何读取数据

缓存在数据库中的结构和作用如下图所示：

缓冲池管理器会尽量将经常使用的数据保存起来，在数据库进行页面读操作的时候，首先会判断该页面 是否在缓冲池中，如果存在就直接读取，如果不存在，就会通过内存或磁盘将页面存放到缓冲池中再进 行读取。