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。

系統提示音：新手任務，畫出 MySQL 系統架構設計圖，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。

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：

• 當客戶端發起連接請求時，MySQL 會創建一個專用的線程（以操作系統級別的線程實現）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、權限獲取（例如，是否允許客戶端對 world 數據庫中的 Country 表執行 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，節省了 TCP 鏈接創建和銷毀的成本。
• 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 解析查詢以創建內部數據結構（解析樹），然后對其進行各種優化，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化器確定 SQL 語句的執行路徑，生成一個執行計劃，這個執行計劃表明使用哪些索引進行查詢。

Caches & Buffers 緩沖區

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。
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、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，易受到系統斷電或宕機等影響，具有較高的寫性能但不適用于大規模數據分布。

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)

文件系統層

文件系統由各操作系統提供，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 解析和優化：用戶寫的 SQL 語句會到服務層進行解析，生成語法樹。優化 SQL 語句，生成執行計劃。
• 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 語句的執行流程是怎樣的？
2. 并發如何控制？
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？