這是圖解MySQL的第2篇文章，這篇文章會通過一條SQL更新語句的執(zhí)行流程讓大家清楚地明白：

• 什么是InnoDB頁？緩存頁又是什么？為什么這么設計？
• 什么是表空間？不同存儲引擎的表在文件系統(tǒng)的底層表示上有什么區(qū)別？
• Buffer Pool是什么？為什么需要？有哪些我們需要掌握的細節(jié)？
• MySQL的三種日志文件redo日志、undo日志、binlog分別是什么？為什么需要這么多種類型的日志？

正文開始！

之前我們講過了一條SQL查詢語句是怎么去執(zhí)行的，那么插入（INSERT）、更新（UPDATE）和刪除（DELETE）操作的流程又是什么樣子呢？

其實對于MySQL而言，只有兩種通常意義的操作，一種是Query（查詢），另一種是Update（更新），后者包含了我們平常使用的INSERT、UPDATE和DELETE操作。

那么MySQL的更新流程和查詢流程有什么區(qū)別呢？

其實基本的流程是一致的，也要經(jīng)過 處理連接 、 解析優(yōu)化 、存儲引擎幾個步驟。主要區(qū)別在更新操作涉及到了MySQL更多的細節(jié)。

注：我們接下來的所有描述，針對的都是InnoDB存儲引擎，如果涉及到其他存儲引擎，將會特殊說明

1. 一些需要知道的概念

對于MySQL任何存儲引擎來說，數(shù)據(jù)都是存儲在磁盤中的，存儲引擎要操作數(shù)據(jù)，必須先把磁盤中的數(shù)據(jù)加載到內存中才可以。

那么問題來了，一次性從磁盤中加載多少數(shù)據(jù)到內存中合適呢？當獲取記錄時，InnoDB存儲引擎需要一條條地把記錄從磁盤中讀取出來嗎？

當然不行！我們知道磁盤的讀寫速度和內存讀寫速度差了幾個數(shù)量級，如果我們需要讀取的數(shù)據(jù)恰好運行在磁盤的不同位置，那就意味著會產(chǎn)生多次I/O操作。

因此，無論是操作系統(tǒng)也好，MySQL存儲引擎也罷，都有一個預讀取的概念。概念的依據(jù)便是統(tǒng)治計算機界的局部性原理。

空間局部性：如果當前數(shù)據(jù)是正在被使用的，那么與該數(shù)據(jù)空間地址臨近的其他數(shù)據(jù)在未來有更大的可能性被使用到，因此可以優(yōu)先加載到寄存器或主存中提高效率

就是當磁盤上的一塊數(shù)據(jù)被讀取的時候，我們干脆多讀一點，而不是用多少讀多少。

1.1 InnoDB頁

InnoDB存儲引擎將數(shù)據(jù)劃分為若干個頁，以頁作為磁盤和內存之間交互的最小單位。InnoDB中頁的大小默認為16KB。也就是默認情況下，一次最少從磁盤中讀取16KB的數(shù)據(jù)到內存中，一次最少把內存中16KB的內容刷新到磁盤上。

對于InnoDB存儲引擎而言，所有的數(shù)據(jù)（存儲用戶數(shù)據(jù)的索引、各種元數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)）都是以頁的形式進行存儲的。

1.2 表空間

為了更好地管理頁，MySQL又設計了「表空間」的概念。表空間又有很多類型，具體類型我們不需要知道，我們只需要知道，一個表空間可以劃分成很多個InnoDB頁，InnoDB表數(shù)據(jù)都存儲在某個表空間的頁中。

為了方便我們定位，MySQL貼心地為表空間設計了一個唯一標識——表空間ID（space ID）。同理，InnoDB頁也有自己的唯一編號——頁號（page number）。

因此，我們可以這么認為。給定表空間ID和頁號以及頁的偏移量，我們就可以定位到InnoDB頁的某條記錄，也就是數(shù)據(jù)庫表的某條記錄。

1.2.1 數(shù)據(jù)表在文件系統(tǒng)中的表示

為了更好地讓大家理解這個抽象的概念，我創(chuàng)建了名為test的數(shù)據(jù)庫，在其下分別創(chuàng)建了3張表t_user_innodb，t_user_myisam，t_user_memory，對應的存儲引擎分別為InnoDB、MyISAM、MEMORY。

進入MySQL的數(shù)據(jù)目錄，找到test目錄，看一下test數(shù)據(jù)庫下所有表對應的本地文件目錄

drwxr-x--- 2 mysql mysql  4096 Jan 26 09:28 .
drwxrwxrwt 6 mysql mysql  4096 Jan 26 09:24 ..
-rw-r----- 1 mysql mysql    67 Jan 26 09:24 db.opt
-rw-r----- 1 mysql mysql  8556 Jan 26 09:28 t_user_innodb.frm
-rw-r----- 1 mysql mysql 98304 Jan 26 09:28 t_user_innodb.ibd
-rw-r----- 1 mysql mysql  8556 Jan 26 09:27 t_user_memory.frm
-rw-r----- 1 mysql mysql     0 Jan 26 09:28 t_user_myisam.MYD
-rw-r----- 1 mysql mysql  1024 Jan 26 09:28 t_user_myisam.MYI
-rw-r----- 1 mysql mysql  8556 Jan 26 09:28 t_user_myisam.frm

1.2.2 InnoDB是如何存儲表數(shù)據(jù)的

「表空間」是InnoDB存儲引擎獨有的概念。

我們看到t_user_innodb表在數(shù)據(jù)庫對應的test目錄下會生成以下兩個文件

• t_user_innodb.frm
• t_user_innodb.ibd

其中，t_user_innodb.ibd就是t_user_innodb表對應的表空間在文件系統(tǒng)上的表示；t_user_innodb.frm用來描述表的結構，如表有哪些列，列的類型是什么等。

1.2.3 MyISAM是如何存儲表數(shù)據(jù)的

和InnoDB不同，MyISAM沒有表空間的概念，表的數(shù)據(jù)和索引全都直接存放在對應的數(shù)據(jù)庫子目錄下，可以看到t_user_myisam對應了三個文件

• t_user_myisam.MYD
• t_user_myisam.MYI
• t_user_myisam.frm

其中，t_user_myisam.MYD表示表的數(shù)據(jù)文件，也就是我們實際看到的數(shù)據(jù)表的內容；t_user_myisam.MYI表示表的索引文件，為該表創(chuàng)建的索引都會存放在這個文件中；t_user_myisam.frm用來描述表的結構。

1.2.4 MEMORY是如何存儲表數(shù)據(jù)的

MEMORY存儲引擎對應的數(shù)據(jù)表只有一個描述表結構的文件t_user_memory.frm。

2. 緩沖池Buffer Pool

為了更好的利用局部性原理帶給我們的優(yōu)勢，InnoDB在處理客戶端請求時，如果需要訪問某個頁的數(shù)據(jù)，會把該數(shù)據(jù)所在的頁的全部數(shù)據(jù)加載到內存中。哪怕是只需要訪問一個頁中的一條數(shù)據(jù)，也需要加載整個頁。

從磁盤中加載數(shù)據(jù)到內存中的操作太昂貴了！有什么辦法可以提高數(shù)據(jù)操作的效率呢？緩存！

為了緩存磁盤的頁，InnoDB在MySQL服務器啟動時會向操作系統(tǒng)申請一片連續(xù)的內存區(qū)域，這片內存區(qū)域就是 Buffer Pool 。

很容易理解，為了更好地緩存頁數(shù)據(jù)，Buffer Pool對應的一片連續(xù)內存空間也被劃分為若干個頁，而且默認情況下，Buffer Pool頁的大小和InnoDB頁大小一樣，都是16KB。為了區(qū)分兩種不同的頁，我們將Buffer Pool中的頁面稱為緩沖頁。

讀取數(shù)據(jù)的時候，InnoDB先判斷數(shù)據(jù)是否在Buffer Pool中，如果是，則直接讀取數(shù)據(jù)進行操作，不用再次從磁盤加載；如果不是，則從磁盤加載到Buffer Pool中，然后讀取數(shù)據(jù)進行操作。

修改數(shù)據(jù)的時候，也是將數(shù)據(jù)先寫到Buffer Pool緩沖頁中，而不是每次更新操作都直接寫入磁盤。當緩沖頁中的數(shù)據(jù)和磁盤文件不一致的時候，緩沖頁被稱為臟頁。

那么臟頁是什么時候被同步到磁盤呢？

InnoDB中有專門的后臺線程每隔一段時間會把臟頁的多個修改刷新到磁盤上，這個動作叫做「刷臟」。

3. redo日志

3.1 為什么需要redo日志

不定時刷臟又帶來一個問題。如果臟頁的數(shù)據(jù)還沒有刷新到磁盤上，此時數(shù)據(jù)庫突然宕機或重啟，這些數(shù)據(jù)就會丟失。

首先想到的最簡單粗暴的解決方案就是在事務提交之前，把該事務修改的所有頁面都刷新到磁盤。但是上文說過，頁是內存和磁盤交互的最小單位，如果只修改了1個字節(jié)，卻要刷新16KB的數(shù)據(jù)到磁盤上，不得不說太浪費了，此路不通！

所以，必須要有一個持久化的措施。

為了解決這個問題，InnoDB把對所有頁的更新操作（再強調一遍，包含INSERT、UPDATE、DELETE）專門寫入一個日志文件。

當有未同步到磁盤中的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)庫在啟動的時候，會根據(jù)這個日志文件進行數(shù)據(jù)恢復。我們常說的關系型數(shù)據(jù)庫的ACID特性中的D（持久性），就是通過這個日志來實現(xiàn)的。

這個日志文件就是大名鼎鼎的 redo日志 。

「re」在英文中的詞根含義是“重新”，redo就是「重新做」的意思，顧名思義就是MySQL根據(jù)這個日志文件重新進行操作

這就出現(xiàn)了一個有意思的問題，刷新磁盤和寫redo日志都是進行磁盤操作，為什么不直接把數(shù)據(jù)刷新到磁盤中呢？

3.2 磁道尋址

我們需要稍微了解一下磁道尋址的過程。磁盤的構造如下圖所示。

每個硬盤都有若干個盤片，上圖的硬盤有4個盤片。

每個盤片的盤面上有一圈圈的同心圓，叫做「磁道」。

從圓心向外畫直線，可以將磁道劃分為若干個弧段，每個磁道上一個弧段被稱之為一個「扇區(qū)」（右上圖白色部分）。數(shù)據(jù)是保存在扇區(qū)當中的，扇區(qū)是硬盤讀寫的最小單元，如果要讀寫數(shù)據(jù)，必須找到對應的扇區(qū)，這個過程叫做「尋址」。

3.2.1 隨機I/O

如果我們需要的數(shù)據(jù)是隨機分散在磁盤上不同盤片的不同扇區(qū)中，那么找到相應的數(shù)據(jù)需要等到磁臂旋轉到指定的盤片然后繼續(xù)尋找對應的扇區(qū)，才能找到我們所需要的一塊數(shù)據(jù)，持續(xù)進行此過程直到找完所有數(shù)據(jù)，這個就是隨機I/O，讀取數(shù)據(jù)速度非常慢。

3.2.2 順序I/O

假設我們已經(jīng)找到了第一塊數(shù)據(jù)，并且其他所需的數(shù)據(jù)就在這一塊數(shù)據(jù)之后，那么就不需要重新尋址，可以依次拿到我們所需的數(shù)據(jù)，這個就叫順序 I/O。

現(xiàn)在回答之前的問題。因為刷臟是隨機I/O，而記錄日志是順序I/O（連續(xù)寫的），順序I/O效率更高，本質上是數(shù)據(jù)集中存儲和分散存儲的區(qū)別。因此先把修改寫入日志文件，在保證了內存數(shù)據(jù)的安全性的情況下，可以延遲刷盤時機，進而提升系統(tǒng)吞吐。