Mysql 原理
2019-07-23 10:45:45 13 举报AI智能生成
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mysql相关原理以及优化
作者其他创作
大纲/内容
Mysql 原理
怎么给字符串加索引
在字符串建立索引时支持前缀索引
使用前缀索引，定义好长度，就可以做到既节省空间，又不用额外增加太多的查询成本
建立前缀索引时候，在查询的时候，在前缀索引重复时会回表根据主键索引查询，降低查询效率
前缀索引对覆盖索引的影响
使用前缀索引用不上覆盖索引的优化，就算前缀索引的字符全部包括，也需要回表根据ID进行查询
其他方式
使用倒叙存储
使用hash字段
数据库有时候为什么会抖一下
数据库在同步relog 到磁盘（刷脏页）过程中查询会变慢
引发数据库flush过程几种场景
1、InnoDB 的redo log 写满，停止所有更新操作，把checkpoint 往前推进
2、系统内存不足，淘汰脏页的时候flash数据到磁盘
3、系统空闲时刷脏页
4、在mysql正常关闭，把脏页flush到磁盘，在数据库启动时，直接从数据库读，速度更快
内存管理
InnoDB使用缓冲池（buffer pool）管理内存
缓冲池的内存中有三种状态：未使用、使用并且干净、使用并且脏数据
读入数据到内存必须到缓冲区申请数据页：使用最久未使用淘汰算法，淘汰的如果是脏页就需要刷新到磁盘
淘汰脏页多，查询时间变长
日志写满，不能更新
InnoDB刷盘速度
通过innodb_io_capacity 设置主机IO能力
刷新速度：脏页比例、redo log 写盘速度
合理设置InnoDB_io_capacity & 保证脏页比例不接近75%
利用WAL （write ahead logging） 预写日志，利用redolog把随机写转换为顺序写，提升数据库IO性能
表数据删掉一半，表文件大小不变
InnoDB 包含两部分:表结构定义、数据
mysql 8.0 前表定义放在.frm 后缀文件中，8.0后可放在数据表中，空间占用小
建议设为ON，单独存储容易管理，不需要表设置drop table 直接可删除文件，空间可回收
删除数据只是标识数据已删除，能复用，空间未释放
单条数据删除
数据页被删除
表数据删除
插入数据导致数据页分裂
解决方法
重建表
alter table A engine=InnoDB
数据转存、交换表明、删除旧表 5.6前版本
5.6 后引入Online DDL
建立临时表、扫描表A主键数据页
A中记录生成B+树，存储到临时表中
生成临时文件时，更新操作记录在row log 中
临时表生成后，将日志文件应用到临时文件
临时文件替换成A
在alert 执行时获取DML写锁，在copy data 时退化成读锁
为了实现Online MDL 读锁不会阻塞增删改
不直接用读锁，禁止其他线程对表同时做DDL
online 与 inplace 区别
inplace是DDL，可能不是Online
Mysql 8.0 添加全文索引（FULLTEXT index）和 空间索引（SPATIAL index）
三种重建方式区别
optimize table
recreate+analyze
analyze table
只是对表索引做统计、未修改数据
alter table
recreate
count(*) 为什么越来越慢
实现方式
MYISAM 引擎 由于不支持事务，直接把count 保存到磁盘中
InnoDB 执行count(*) 需要从引擎中读取
InnoDB为什么需要每次扫描行数
因为支持事务操作，支持MVCC，InnoDB返回行数不确定
count(* )优化
mysql原则：保证数据前提下，尽量减少扫描的数据量，是数据库统计通用法则
普通索引树节点是主键值，只需要找最小的普通索引树查找
解决思路
将计数保存在缓存系统中的方式，还不只是丢失更新的问题。即使 Redis 正常工作，这个值还是逻辑上不精确的。
单独用一张表存储，在更新时加事务
不同的count性能
count(字段)<count(主键 id)<count(1)≈count(*)，所以我建议你，尽量使用 count(*)。
order by 工作原理
全字段排序
在sort_buffer 中快速排序，设置sort_buffer_size
在磁盘中归并排序
需要额外的临时文件
rowid 排序
mysql认为排序单行长度太大时就只会把排序字段和ID放入内存
思想：如果内存够就使用内存，减少磁盘访问
并不是所有都需要排序
使用组合索引，能达到覆盖索引目的
如何正确显示随机消息
场景：在表插入10000行数据记录、随机选择3个记录
方法一：order by rand()
需要使用临时表、执行排序操作，查询代价大
内存表，回表只是简单地根据数据行位置，直接访问内存得到数据，排序行越小越好，mysql选择rowId 排序
当tmp_table_size 内存临时表大装满，就会使用磁盘临时表
根据数据是否超出sort_buffer_size 判断使用优先队列排序算法还是归并算法
使用最多方法
取得整个表的行数，并记为 C。
取得 Y = floor(C * rand())。 floor 函数在这里的作用，就是取整数部分。
扩展：rowID
对于有主键的 InnoDB 表来说，这个 rowid 就是主键 ID。
对于没有主键的 InnoDB 表来说，这个 rowid 就是由系统生成的。
MEMORY 引擎不是索引组织表。在这个例子里面，你可以认为它就是一个数组。因此，这个 rowid 其实就是数组的下标。
sql 优化
条件字段操作
对索引字段做函数操作，可能会破坏索引值的有序性，因此优化器就决定放弃走树搜索功能。
加了函数操作，Mysql无法使用索引快速定位功能，只能用全索引扫描
隐式类型转换
隐式字符编码转换
字符集 utf8mb4 是 utf8 的超集，所以当这两个类型的字符串在做比较的时候，MySQL 内部的操作是，先把 utf8 字符串转成 utf8mb4 字符集，再做比较。
连接过程中要求在被驱动表的索引字段上加函数操作，是直接导致对被驱动表做全表扫描的原因。
不让索引字段做函数转换操作，在条件参数上做转换，或者拆分sql
查询一行，为什么速度这么慢
表被锁住，执行show processlist 查看语句处于什么状态
查询时长不返回，lock timeout
1、等待MDL锁，现在有一个线程正在表 t 上请求或者持有 MDL 写锁，把 select 语句堵住了。
2、等flush（表关闭）
3、等行锁
查询慢
扫描行数多：坏查询不一定是慢查询
幻读是什么？
指的是一个事务在前后两次查询范围内，后一次看到了前一次没看到的数据，当前读不是幻读，幻读是'指新插入的行'
存在问题
语义上不一致
数据不一致，数据和binlog日志
解决幻读
引入间隙锁，锁的是两个值之间的间隙
间隙锁冲突只是：往间隙插入记录
间隙锁和行锁合称：next-key lock
带来的问题
间隙锁的引入，可能会导致同样的语句锁住更大的范围，这其实是影响了并发度的
next-key lock 间隙锁与行锁
加锁规则
2、查找过程中访问到对象才加锁
3、索引等值查询、唯一索引加锁，next-key lock 退化成行锁
4、索引等值查询，向右遍历且最后一个不满足等值条件，next-key lock 退化成间隙锁
5、唯一索引范围查询访问到不满足条件第一个值为止
锁案例
等值查询间隙锁
非唯一索引等值锁
主键索引范围锁
非唯一索引范围锁
唯一索引范围锁bug
非唯一索引存在‘等值’
limit 语句加锁
子主题
结论
锁是加载索引上的
lock in share mode 查询使用覆盖索引
for update ，系统认为需要更新数据，会给主键索引加行锁
在delete limit 加锁后满足limit值后循环结束
紧急提升mysql性能
短连接风暴
链接数据库执行很少sql，就断开，下次需要重连
解决方式
直接修改max_connections 值
可能会导致系统负载过大，大量消耗在权限验证等逻辑，链接拿到CPU 资源执行业务SQL
处理占着连接不工作线程
通过kill connection +id 主动踢掉，或者设置wait_timeout
如果是连接数过多，你可以优先断开事务外空闲太久的连接；如果这样还不够，再考虑断开事务内空闲太久的连接。
减少连接过程中的消耗
让数据库跳过权限验证阶段
重启数据库，并使用–skip-grant-tables 参数启动。这样，整个 MySQL 会跳过所有的权限验证阶段，包括连接过程和语句执行过程在内。
慢查询性能
索引没设计好
创建索引支持Online DDL，可alter table
SQL 语句没写好
在数据库执行查询重写
Mysql 选错索引
给语句加上force index
把慢查询日志打开，并把long_query_time 设置成0，确保语句记录入慢查询日志
模拟线上数据，做回归测试
观察慢查询日志输出
QBS
程序bug 导致某语句QPS 暴增，也可能导致mysql 压力过大
规范运维体系：虚拟化、白名单、业务账号分离
mysql 怎么保证数据不丢失
binlog 写入机制
原则：无论事务多大，事务binlog 不能被拆开，确保一次性写入
设置sync_binlog 100—1000提升性能，在积累N个事务提交后才fsync
redo log 流程
1、存在redo log buffer 2、写到磁盘，存放在文件系统page cache 3、持久化到磁盘
不需要每次写入磁盘、事务没提交，redo log buffer 中的日志可能被持久化到磁盘
后台线程每秒轮询一次
redo log buffer 占用空间达到InnoDB_log_buffer_size 一半，后台线程主动写盘
并行事务，事务B 设置 innodb_flush_log_at_trx_commit=1，redo_log_buffer 全部持久化到磁盘，为提交事务A redo_log一并提交
每秒一次后台轮询刷盘，再加上崩溃恢复这个逻辑，InnoDB 就认为 redo log 在 commit 的时候就不需要 fsync 了，只会 write 到文件系统的 page cache 中就够了。
优化
组提交
一次组提交里面，组员越多，节约磁盘 IOPS 的效果越好
延时提交
第一个事务写完 redo log buffer 以后，接下来这个 fsync 越晚调用，组员可能越多，节约 IOPS 的效果就越好
WAL(write ahead log)
redo log 和binlog 都是顺序写，比随机写速度快
组提交机制，大幅度降低磁盘的IOPS消耗
一条sql查询语句怎么执行的
基本架构
客户端：service层包括核心服务功能，以及所有内置函数
连接器：管理连接，权限验证
查询缓存：加快查询效率，但是表更新缓存不在，8以后版本取消缓存
分析器：词法语法分析，判断列名，表名是否与真实表对应
优化器：执行计划生成，索引选择
执行器：操作引擎，返回结果
存储引擎
数据储存，提供读写接口、储存过程，触发器，视图
一条sql更新语句是如何执行的
InnoDB先把记录写到redo log 中，并更新内存，系统空闲时，引擎将记录更新到磁盘中
数据块发生重启，之前提交的记录都不会丢失，称为crash-safe
binlog(归档日志)，server 层日志
binlog 日志为逻辑记录，记录执行了些什么原始操作，而redolog 记录的是数据页改变了什么
binlog 可以追加写入，而redolog 物理日志，空间会用完，所以需要清除数据，同步到磁盘才能写入
执行更新操作步骤（两阶段提交，保证两个状态逻辑上一致）
执行器找引擎取对应行，如果在内存中就直接返回给执行器，不然就从磁盘读入
执行器拿到数据，更新，调用引擎接口写入新数据
引擎将新数据更新到内存，将更新操作记录到redolog ，redolog处于prepare 状态
执行器生产这个操作的binlog，把binlog 写到磁盘
执行器调用引擎提交事务接口，将redo log 改成commit 状态
事务隔离;为什么我改了还看不到
事务特性
事务出现问题
脏读、不可重复读、幻读等问题
解决事务问题，需要事务隔离
读未提交、读已提交、可重复读、串行化
可重复读：在事务执行过程中看到的数据，总是跟启动时看到的数据一致，意思是其他事务修改对他没影响
串行化：对于同一行记录，写、读都会加锁，出现读写冲突，必须等到前一个事务完成才执行
怎么实现事务隔离
通过视图解决
可重复读视图在事务启动时创建
读已提交视图在每个sql 执行的时候创建
读未提交直接返回记录最新值，没有视图概念
可重复读适用场景
比如银行校对明细表时，不想在核对时候，新增明细干扰核对结果
回滚原理
记录更新时会记录一条回滚操作
不同时刻启动事务有不同的read-view ，同一记录在系统中可以存在多个版本，就是数据库多版本并发控制
在系统不需要回滚日志时删除，就是在系统没有比这个回滚日志更早的read-view时
事务启动方式
set autocommit=0，将线程自动提交关闭，执行语句事务就启动，等到手动commit或者rollback 时或断开连接时关闭事务
查看数据库中存在长事务
索引
常见的索引数据
hash表、有序树、搜索树
hash适用于等值查找，不适合范围查找
有序数组在等值查询和范围查询中性能非常优秀，但是只适用于静态存储引擎
二叉搜索树为了保证查询复杂度为Ologn 需要维护为平衡二叉树
在数据库中，为了减少树的高度（索引需要存储到磁盘，每次读取需要访问磁盘）使用N叉树
InnoDB 索引模型
使用的是B+树，索引分为主键索引（聚簇索引）和非主键索引（二级索引）
InnoDB是索引组织表，一般使用自增主键，这样不会因为插入重排，提高效率，主键长度越小，普通索引的叶子节点越小，占用空间越小
基于主键索引和普通索引查询区别
只需要搜索一颗B+树
覆盖索引：可以减少树搜索次数，显著提升查询性能
最左前缀原则
在模糊查询 name like 张%
建立联合索引，考虑如何安排索引内的字段顺序
索引下推：在索引遍历过程中，对索引中包含的字段做判断，直接过滤掉不玩朱条件的记录
原则：尽量少访问资源是数据库设计的重要原则之一，在使用数据库时，设计表时，尽量减少资源消耗为目标
全局锁和表锁
基本信息
设计初衷——解决并发问题
锁分成三类：全局锁、表级锁、行锁
全局锁
对整个数据库进行加锁
mysql 全局读锁方法：FTWRL(Flush tables with read lock)
针对于像MyLSAM不支持事务引擎
其他线程的DML、DDL、更新事务提交语句都会被阻塞
使用场景：全库备份
缺陷
全库只读，备份期间不能执行更新，业务基本停摆
使用可重复读级别开启事务
Mysql备份工具：mysqldump，使用single-transaction，在备份是会启动事务，确保拿到一致性视图
不使用set global readonly=true 方式原因
readonly 会被用来做其他逻辑，判断库是否是主库，修改global 变量方式影响大，在从库的super权限readonly无效
表级锁
mysql两种表级锁：表锁、元数据锁
表锁
lock tables ...read/write
可使用unlock tables 释放锁
InnoDb可支持行锁，一般不使用lock tables 控制并发
MDL (metadata lock) 元数据锁
在mysql 5.5 加入
在增删查改加入读锁
当对表结构变更加入MD写锁
读锁不互斥、写锁互斥、读写锁互斥
如何安全地给小表加字段？
解决长事务，事务不提交会一直占用MDL锁，考虑先暂停DDL，或kill长事务
在热点表中，kill事务未必有用，就在alter table 语句中设定等待时间，在指定时间内拿不到MDL 先放弃。（NOWAIT/WAIT）
MDL 会直到事务提交才释放，在做表结构变更的时候，你一定要小心不要导致锁住线上查询和更新。
行锁
两段锁协议
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。
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。
死锁和死锁检测
出现循环资源依赖出现死锁
解决死锁方法
直接进入等待，直到超时
通过：innodb_lock_wait_timeout 设置 默认50s<br>
发起死锁检测
发生死锁后，主动回滚死锁链条的某一事务，让其他事物得以执行
innodb_deadlock_detect 这种为on<br>
解决死锁检测cpu消耗问题
关闭死锁检测，死锁后通过业务重试，业务无损；但是出现大量超时，业务有损
控制并发度
控制并发量，限制并发数量
修改mysql源码，对于相同行的更新，在进入引擎前排队
考虑将一行的数据改成逻辑上的多行减少锁冲突
事务是否是隔离的
事务的启动时机
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，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。
启动方式
第一种启动方式，一致性视图是在执行第一个快照读语句时创建的；
<br>第二种启动方式，一致性视图是在执行 start transaction with consistent snapshot 时创建的。
两个视图
view视图
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。
一致性视图
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。
快照
实现一致性视图
InnoDB 利用了“所有数据都有多个版本”的这个特性，实现了“秒级创建快照”的能力。
事务视图可见性
版本未提交，不可见
版本已提交、但是在视图创建后提交，不可见
版本已提交，但是视图在创建前提交，可见
更新逻辑
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
事务中更新操作时候，尽管有事务一致性视图，但是保证在事务未提交时候，别的事务已经修改数据丢失
在select 加锁 加lock in share mode 或者 for update 的时候也是 当前读，一致性视图可见性失效
事务c' 未提交，更新数据时写锁占用，当前事务B是当前读，读最新版本的数据，这时就会等待c'锁释放
可重复读怎么实现的？
核心是一致性读，但是事务更新操作的时候是当前读，如果当前读的记录行锁被占用就进入锁等待
读提交和可重复读的区别
可重复读：
在事务开始创建一致性视图，之后查询都用这个视图
在读提交隔离级别下，每个语句执行前都会重新计算新的视图
选择普通索引和唯一索引
对查询语句影响
唯一索引在查到满足条件时会停止检索，而普通索引会进行判断
普通索引检索数据在本页最后一条时会检索下一页
对更新语句影响
普通索引
使用change buffer
唯一索引
每次更新判断唯一索引是否冲突
记录更新在内存中
判断冲突，插入数据
插入值
记录更新不在内存中
将数据读入内存、判断是否冲突、插入值
更新记录在change buffer 中，语句执行结束
数据库成本最大操作时读入内存涉及的随机IO访问，大量插入会导致数据库
change buffer
change buffer 的使用场景
只限于用在普通索引中，不适合用于唯一索引
适用于读多写少业务，并且在写完后马上被访问的概率小，changebuffer使用效果更好，比如账单类、日志类系统
change buffer 和redo log 区别
redo log 主要节省的是随机写磁盘的 IO 消耗（转成顺序写），而 change buffer 主要节省的则是随机读磁盘的 IO 消耗。
change buffer merge 过程
从磁盘读入数据页到内存
重changge buffer 里找出change buffer 记录，依次应用到数据页，生成新数据页
写redo log。这个redo log 包含数据变更和change buffer 变更
两个索引区别
在查询上区别不大，主要是在更新时对性能影响大
为什么Mysql 有时会选错索引
优化器逻辑
找到最优执行方案，用最小的代价执行语句，扫描行是影响执行代价的因素之一、除此之外还有是否使用临时表、是否排序
扫描行怎么判断
根据索引的基数判断，基数越大，区分度越好
通过采样统计，选择N个数据页，统计页面上不同的值，得到平均值，然后乘以索引页数
统计信息有两种存储方式：持久化存储、存储在内存中
可以使用 force index(a) 进行强制设置索引，但是优化器会对索引进行权衡，会把回表操作的时间算进入，所以扫描行数并不是唯一影响优化器判断的条件，使用analyze table t 重新统计索引
索引选择异常和处理
force index 强行选择一个索引
通过sql 引导优化器选择正确索引
在某些场景下，可以新建更适合的索引，提供优化器做选择，或者删除误用索引
mysql 怎么保证主备一致
主要通过binlog日志保证主从一致，高可用架构都依赖binlog
主备一直原理
Mysql 主备切换，实际生产使用双M流程
主备流程
binlog 三种格式
statement
在 limit 的时候，主备库使用索引不一致的情况下，就会导致操作数据不一致
row
占用空间大，删除10万行就是要写十万行日志
优点：回复数据
在更新数据时会保存之前数据，只要交换数据位置就能恢复数据
mixed
mixed 存在场景：statement 格式可能导致主备不一致，但是row 占用空间大，就采用折中办法
解决循环复制问题
双M结构
通过serverId 不同来区分，备库生成的binlog 的serverID 与主库一致，主库执行binlog，发现serverID一致就不执行
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