1.Innodb数据存储

innodb如今能够做到mysql的默认数据存储引擎，肯定有着其好处的，那么innodb有什么好处呢?

1. 当意外断电或者重启， InnoDB 能够做到奔溃恢复，撤销没有提交的数据

2.InnoDB 存储引擎维护自己的缓冲池，在访问数据时将表和索引数据缓存到主存中。经常使用的数据直接从内存中处理。这种缓存适用于许多类型的信息，并加快了处理速度。在专用数据库服务器上，高达80% 的物理内存通常分配给缓冲池

3.where 、 groupby 、 orderBy 的自动优化、基于索引。

4. 插入、更新和删除是通过一种称为更改缓冲的自动机制进行优化的

 innodb存储引擎是作为数据存储的，那么肯定是要落盘的，那么落盘落到哪里?innodb又是如何管理这些数据的呢?

在Innodb中会有一个表空间的概念，又可以分为很多的类型，比如系统表空间、通用表空间、独立表空间等，我们的数据可以有选择的决定存入到哪个表空间中，关于表空间的具体介绍可以参考官网，这里不再介绍，MySQL :: MySQL 8.0 Reference Manual :: 17.6.3 Tablespaces

那么表空间又是如何管理的呢? 每个表空间都是由大小相同的page页来组成的，默认page页是16kb,也可以根据innodb_page_size来设定页的大小

在表空间中从上到下会依次划分为segment(段)、extent(区)、page(页)、rows(行)

segment: 段是表空间的分区，一个表空间中，会有多个段组成，常见的短有数据段、索引段、8.0之前有回滚段

extent: 区来管理页，当页的大小在16K以下，一个区的大小是1M，如果32K是2M，64K则为4M。后面磁盘释放分配都是以区为单位. 所以，一个extent下最少可以存储64个page页

page:对于4KB、8KB、16KB和32KB的innodb_page_size设置，最大行长度略小于数据库页面大小的一半。例如，对于默认的16KB InnoDB页面大小，最大行长度略小于8KB。对于64KB的innodb_page_size设置，最大行长度略小于16KB

rows:表的行格式决定了其行的物理存储方式，这反过来又会影响查询和 DML 操作的性能，为什么影响 我们在讲索引的时候会讲到

 行存储如果超过，那么该页就只存储指针，其它内容交由外部溢出页来存储

行存储分为四种存储格式，不同的行格式，存储方式、空间性能都不一样

REDUNDANT:  冗余行格式，主要是旧版本 mysql 的兼容,数据和行索引信息分开存储，某些查询操作会快，但是需要额外的空间，所以是之前老版本的格式设计

COMPACT:  减少了存储行间，官网说大约 20% ，但是增加了cpu 的负荷。导致一些查询的性能问题

DYNAMIC:  动态行格式 该行格式允许长度可变，所以会根据情况来决定是否需要更多空间，5.7 后的默认行格式

COMPRESSED:  压缩行格式 对 COMPACT 进行了压缩，减

少了存储空间使用，比如 text 长文本 会进行压缩，但是检索的时候，必须

进行解压，牺牲了 cpu

mysql默认的行格式是dynamic

也可以在创建表的时候定义表的行格式

CREATE TABLE t1 (c1 INT) ROW_FORMAT=DYNAMIC;

 2.Innodb内存加载及管理

我们已经知道，我们的数据最终是会落盘到磁盘中的，那么假如我们每次检索都去磁盘获取，明显性能会比较慢。所以Innodb为了性能的优化，采用了内存缓存机制，在内存中缓存相应的数据。这个内存区间叫做BufferPool.

缓冲池是主内存中的一个区域，在innodb访问时缓存表和索引数据。缓冲池允许直接从内存访问频繁使用的数据，从而加快处理速度

SELECT @@innodb_buffer_pool_size; -- 默认134217728字节/1024/1024   128M

也可以设置bufferpool的大小

mysql> SET GLOBAL innodb_buffer_pool_size=402653184;

既然有了这个内存缓冲区，那么这个内存与磁盘数据是怎么交互的呢?

2.1内存与磁盘数据交互机制

该交互机制采用的是页加载机制，这是为什么呢?

1. 如果用行交互，那么假如我查询 200 条数据，那么 200 条数据都不在我们内存的话，需要跟磁盘交互200 次，但是 page 可能只有 1.2 个 page 页

2. 也不会用 extent 区来交互，因为一个 extent 包含 64 个页。可能我只需要查一条数据，但是会加载64 个页到内存，导致内存浪费。

处于内存的利用率与性能考虑，Innodb选择了page页

那么整体流程是什么样子的呢?

1. 假如一条查询语句 查询出的数据有 2.3.4.5.6.7 6 条数据

2. 去 bufferpool 中查看 2.3.4.5.6.7 所在的 page 页是否存在

3. 如果存在，直接返回

4. 如果不存在，根据 2.3.4.5.6.7 的数据所在的 page 页，去磁盘加载，加载完后保存到内存

5. 下次查询 id=5, 由于在内存中已经存在，直接返回

 另外，mysql还提供了一种预读机制，我们每次读取数据的时候，会将对应的page页加载到内存，预读机制就是，我就算没读到，也能提前把一些可能读到的数据加载到内存。

预读机制: MySQL :: MySQL 8.0 Reference Manual :: 17.8.3.4 Configuring InnoDB Buffer Pool Prefetching (Read-Ahead)

 预读请求是一种i/o请求，用于在缓冲池中异步预取多个页面，在请求某些页面时，预计即将需要extent的其它页面。那么这个预计的页面是怎么知道的呢?主要通过两种预读算法

线性预读:按照访问顺序的页来执行预加载 某个区里面的页面有多少个页按顺序访问了，那么就会预加载这个区里面所有的页。具体多少个页被顺序访问，具体配置为innodb_read_ahead_threshold

随机预读:根据缓存池中已有的页来预加载，如果在缓冲池中找到了来自同一个区连续的13个页面，InnoDB会异步发出一个请求来预取该区剩余的页面。开关控制:innodb_random_read_ahead

 2.2BufferPool内存管理

假如我们查询到的页或者与加载的页都加载到我们的bufferpool，那么肯定要进行管理，因为我们的bufferpool内存也是有限的，不能无休无止的往里面添加。此时，就可以采用淘汰策略。(还记得redis中的淘汰策略吗)

历史总是惊人的相似，Mysql也是采用LRU算法去进行page页淘汰的，只不过实现方式稍有变化。

 针对Innodb的特殊情况，采用LRU的变种

将LRU列表分为2段，链表的前面8分之5是新页列表，后面的8分之3是老页，然后淘汰页面从后面尾部进行淘汰。具体流程如下:

1. 当新的页面缓存到 BufferPool ，先加入到 oldSublist 的头部，包括预读的页。

2. 当 old 的页面被访问时 , 会添加到 new 的头部成为一个最近访问的页

3.new sublist 的链表会随着新数据的加入向后移动 同样的 old 的链表会随着新数据的加入向后移动；淘汰old sublist 的链尾。

分析: 既然不确定用到，那么就先放到一个中间位置，当用到了后再放到头部避免淘汰。如果加载了但没用到，随着推移，慢慢的进行淘汰掉，从而来提升内存的利用率。 

3.数据同步机制

从第2节中我们可以知道我们的数据都会以page页的方式同步到我们的内存，那么在我们的系统中，就有2份数据，一份在内存，一份在磁盘，那么这2个数据是怎么去做数据同步的呢？怎么保证数据的一致性?

为什么不直接同步到磁盘呢？一致性问题不久解决了。假如说每次操作都需要先跟磁盘同步，那么就会出现以下问题:

1. 由于内存跟磁盘交互的最小单位是 page 页，那么你改动一行数据，整个页都需要跟磁盘进行交互同步。

2. 这个更改的数据你是不知道在哪个磁盘位置的，属于一个随机 IO 。

上面的这两个问题 都会导致每次操作数据会非常慢。

所以innodb采用的是异步刷盘机制， 何为异步刷盘，就是我优先去更改内存的数据，然后通过异步线程去进行跟磁盘的同步。这个时候，肯定会出现内存跟磁盘不一样的页，这种页就叫做脏页。

出现脏页怎么办?innodb是如何才能够保证数据的一致性呢?

Mysql提供了一个doubleWrite机制，简单点，就是备份。

什么是双写呢？就是当page页刷新到磁盘的时候，把这个page数据写到不同的地方去，当出现问题时，由备份来达到持久性跟数据的一致性。

双写过程:

1. 当脏页被写入到缓存池（也称为内存池）时，它们将被写入到Doublewrite缓冲区中，而不是直接写入到磁盘上的表空间中

2.  Doublewrite 缓冲区是一个位于内存中的缓冲区，用于存储即将写入磁 盘的脏页的数据。在写入到 Doublewrite 缓冲区后，数据将被写入到两 个不同的磁盘区域，这样即使其中一个磁盘出现问题，数据也可以从另 一个磁盘恢复。在写入到磁盘之前，数据会被缓存到磁盘的 Write

Cache 中，确保数据能够快速写入磁盘。

3. 在数据被写入磁盘之前， Doublewrite 缓冲区中的每个脏页的 LSN （日志序列号）都会被更新，以确保数据的一致性。这是因为LSN 是一种用于恢复数据的唯一标识符，它可以确保在数据库出现故障时，数据可以恢复到一个一致的状态。

4. 一旦数据被成功写入到磁盘上的两个不同区域并且 LSN 已经被更新，数据就被标记为干净页并从缓存池中移除。此时，这个脏页的数据已经被持久化到磁盘中，并且数据库可以确保数据的一致性和可靠性。

分析:DoubleWrite机制会占用一部分内存和磁盘的空间，同时也会导致一定的性能损失，但这是为了保证数据的安全性和可靠性而进行的权衡。

3.1 change-buffer 

现在我们知道了，我们更改的数据都是异步同步到磁盘的，但是在更改之前呢，我们内存中不存在的数据，是不是还得从磁盘拿取，那可不可以再优化一下，我先改了放到内存，然后下次读取到相关数据再进行合并呢。

innodb中也有这样的优化，叫做change-buffer(更改缓冲区)

更改缓冲区是一种特殊的数据结构， 当这些页面不在缓冲池中时，它会缓 存对二级索引 页面的更改， 稍后会在其他读取操作将页面加载到缓冲池中时合并。

为啥是二级索引，因为二级索引的插入跟修改一般是无序的，所以 IO 开销

更大，更需要提升性能。

还有主键索引。唯一的，所以我们要去磁盘进行唯一校验，本来就需要去

磁盘进行 IO ，如果内存没有数据的话。

4.RedoLog

我们已经知道了innodb中的数据是异步刷新到磁盘的，那么假如，在刷新到磁盘之前就宕机了。那么数据是不是就丢失了，innodb怎么数据的一致性与持久性呢?

innodb引入了一个redolog。也叫做重做日志，当发生异常的时候，导致数据丢失的时候，从redolog日志中找到想要的数据。

因为 InnoDB 的数据操作是只会实时去操作我们的 bufferpool 的 page 页的，然后通过其他的一些异步方式将bufferpool 中的数据同步到磁盘，所以，数据丢失是很容易产生的。那么就需要我们的RedoLog 来保证数据的不丢失。它属于InnoDB 存储引擎层面实现

4.1 RedoLog格式

当操作数据时，就会记录一条redolog日志，这个日志只是一条记录，记录的是在什么表空间，什么页对数据惊醒了什么样的更改。

 

type: 操作类型 插入、修改还是删除'

spaceId: 表空间 ID

page num ： 锁在的页

data: 修改的前后数据

这种记录在某个偏移量发生了什么变更的这种日志格式，也叫做物理日志。

4.2 redolog的存储与写入

innodb通过rdolog解决数据丢失的问题。所以redolog肯定是一个基于磁盘的数据结构，肯定会写入磁盘，每次sql语句提交的时候，都会去写入redolog

首先，要保证数据不丢失，那么肯定是要落到磁盘的。那么肯定会有redolog的磁盘文件。

思考: 既然都要写入磁盘，为什么不直接将数据同步到表空间的磁盘呢?

1. 因为 bufferPool 跟磁盘交互的最小单位是 page ，所以，只要 page 里面改 动一条数据，整个page 都会进行跟磁盘同步，导致不必要的同步。 RedoLog只会同步某些记录。

2. 你改动的数据是随机的，不是顺序的，随机 IO 的性能比较慢，但是RedoLog是一直往上加，是顺序 IO ，速度比数据 page 同步要快。

另外，redolog为了保证数据的一致性跟持久性的同时，性能得到保证，减少磁盘IO，于是作者又开辟了一个logBuffer的内存区间，缓存redolog,redolog不马上写到磁盘，而是先写到logbuffer，然后一次性的从logbuffer同步到磁盘。

4.3 logbuffer 跟磁盘的同步

只要触发了刷新到磁盘，就能百分比保证数据不丢失吗?如果不丢失，性能是不是又会有所损耗

所以作者提供了不同的方案供选择:

SELECT @@innodb_flush_log_at_trx_commit; //RedoLog同步方案默认设置为1

1 ： 每次事务提交时，将日志刷新到磁盘，安全性高，能够保证持久性，默认配置

0 ： 每秒从内存写到操作系统，并且刷新（ fsync() ）到硬盘，可能会导致数据丢失

2 ：每次写入 logbuffer 并且写到操作系统，但是每秒 fsync() 到磁盘，最终刷新交给操作系统操作，只要操作系统不挂，也能保证持久性，但是操作系统挂了，数据没刷新就会数据丢失

 

当然，除了配置 innodb_flush_log_at_trx_commit的 同步机制外，还有以下情况也会导致redolog同步到磁盘

a.buffer空间不足时

b. 后台异步线程定期刷新

c.正常关闭服务器

d.checkPoint检查哪些数据没有同步到磁盘的时候

4.4 redolog的开启与禁用

SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_redo_log_enabled'; -- 查看RedoLog是否开启
ALTER INSTANCE disable INNODB REDO_LOG -- 禁用RedoLog

5.总结

        innodb作为一个存储数据的引擎；利用了表空间，分段分区分页的思想对数据进行管控；并且采用了内存缓冲池的机制减少IO，提升数据交互的效率；但是就可能造成两处数据的不一致，形成脏页，innodb就又采用了双写机制，提前做好备份，能够应该故障和灾难时，数据的不一致性问题。但是这解决了更改的性能，更改之前还需要从磁盘中拿，于是innodb又提出了change-buffer（更改缓冲区），改了先放内存，下次用了再同步。当然，这些都是采用了异步刷盘的思想，如果，刷盘之前就宕机了呢?innodb又提出了一个很重要的概念，redolog，每一次变更，都会存储到该磁盘中，相较于存储到表空间的磁盘中，该磁盘是顺序添加的，顺序IO性能肯定比随机IO要好。说白了，innodb就是采用了各种内存缓存机制，来减少与磁盘的IO次数，从而提高性能的。有了缓存，那么就肯定少不了内存管理机制，数据的一致性和持久性。