InnoDB總體結構

首先我們來看官網的一張圖(圖片來源于MySQL官網)：

從上圖中可以看出其主要分為兩部分結構，一部分為內存中的結構(上圖左邊)，一部分為磁盤中的結構(上圖右邊)

內存結構

InnoDB內存中的結構主要分為：Buffer Pool,Change Buffer和Log Buffer三部分。

Buffer Pool

Buffer Pool是InnoDB緩存表和索引的一塊主內存區域，Buffer Pool允許直接從內存中處理經常使用的數據，從而加快處理速度，帶來一定的性能提升。 但是緩存總有放滿的時候，當緩存滿了新來的數據怎么處理呢？Bufer Pool中采用的是LRU(least recently used，最近最少使用)算法，LRU列表中最前面存的是高頻使用頁，尾部放的是最少使用的頁。當有新數據過來而緩存滿了就會覆蓋尾部數據。

假如我們有一條查詢語句非常大，返回的結果集直接就超過了Buffer Pool的大小，而這種語句使用場景又是極少的，可能查詢這一次之后很久不會查詢，而這一次就將緩存占滿了，將一些熱點數據全部覆蓋了。為了避免這種情況發生，InnoDB對傳統的LRU算法又做了改進，將LRU列表分拆分為2個，如下圖(圖片來源于MySQL官網)：

該算法在new子列表中保留大量頁面(5/8),old子列表包含較少使用的頁面(3/8);old子列表中數據可能會被覆蓋，該算法具體操作如下：

• 3/8的Buffer Pool空間用于old子列表

• 列表的中點是new子列表的尾部與old子列表的頭部之間的邊界

• 當InnoDB將一個頁面讀入緩沖池時，它首先將它插入到中間點(old子列表的頭)。讀取的頁面是由用戶發起的操作(比如SQL查詢)或InnoDB自動執行的預讀操作

• 訪問old子列表中的頁面使其“young”，并將其移動到new子列表的頭部。如果讀取的頁是由用戶發起的操作，那么就會立即進行第一次訪問，并使頁面處于young狀態；如果讀取的頁是由預讀發起的操作，那么第一次訪問不會立即發生，而且可能直到覆蓋都不會發生。

• 操作數據時，Buffer Pool中未被訪問的頁會逐漸移到尾部，最終會被覆蓋。

默認情況下，查詢讀取的頁面會立即移動到新的子列表中，這意味著它們在緩沖池中停留的時間更長。

Change Buffer

Change Buffer是一種特殊的緩存結構，用來緩存不在Buffer Pool中的輔助索引頁， 支持insert, update,delete(DML)操作的緩存(注意，這個在MySQL5.5之前叫做Insert Buffer，僅支持insert操作的緩存)。當這些數據頁被其他查詢加載到Buffer Pool后，則會將數據進行merge到索引數據葉中。

InnoDB在進行DML操作非聚集非唯一索引時，會先判斷要操作的數據頁是不是在Buffer Pool中，如果不在就會先放到Change Buffer進行操作，然后再以一定的頻率將數據和輔助索引數據頁進行merge。這時候通常都能將多個操作合并到一次操作，減少了IO操作，尤其是輔助索引的操作大部分都是IO操作，可以大大提高DML性能。

如果Change Buffer中存儲了大量的數據，那么可能merge操作會需要消耗大量時間。

為什么Change Buffer只能針對非聚集非唯一索引

因為如果是主鍵索引或者唯一索引，需要判斷數據是否唯一，這時候就需要去索引頁中加載數據判斷而不能僅僅只操作緩存。

Change Buffer什么時候會merge

總體來說，Change Buffer的merge操作發生在以下三種情況：

• 輔助索引頁被讀取到Buffer Pool時。 當執行一條select語句時，會去檢查當前數據頁是否在Change Buffer中，如果在，就會把數據merge到索引頁

• 該輔助索引頁沒有可用空間時。 InnoDB內部會檢測輔助索引頁是否還有可用空間(至少有1/32頁)，如果檢測到當前操作之后，當前索引頁剩余空間不足1/32時，會進行一次強制merge操作

• 后臺線程Master Thread定時merge。 Master Thread是一個非常核心的后臺線程，主要負責將緩沖池中的數據異步刷新到磁盤，保證數據的一致性。

Adaptive Hash Index

Adaptive Hash Index，自適應哈希索引。InnoDB引擎會監控對索引頁的查詢，如果發現建立哈希索引可以帶來性能上的提升，就會建立哈希索引，這種稱之為自適應哈希索引，InnoDB引擎不支持手動創建哈希索引。

Log Buffer

日志緩沖區是存儲要寫入磁盤日志文件的一塊數據內存區域，大小由變量innodb_log_buffer_size 控制，默認大小為16MB(5.6版本是8MB)：

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_log_buffer_size';-- global級別，無session級別

上文講述update語句更新流程一文中，我們只提到了Buffer Pool用來代替緩存區，通過本文對內存結構的分析，實際上Buffer Pool中嚴格來說還有Change Buffer，Log Buffer和Adaptive Hash Index三個部分，DML操作會緩存在Change Buffer區域，而寫redo log之前會先寫入Log Buffer，所以Log Buffer又可以稱之為redo Log Buffer。

Log Buffer什么時候寫入redo log

一個大的Log Buffer空間大允許運行大型事務，而無需在事務提交之前將redo log數據寫入磁盤。Log Buffer中的數據會定期刷新到磁盤，那么Log Buffer的數據又是如何寫入磁盤的呢？Log Buffer數據flush到磁盤有三種方式，通過變量innodb_flush_log_at_trx_commit 控制，默認為1。 |value|描述|

• 當設置為0時，由于數據還在內存，所以崩潰后數據基本會被丟失

• 當設置為2時，由于數據已經實時寫到redo log了，如果磁盤文件沒有被損壞，還是可以恢復的

另外，Mast Thread默認1s進行一次刷盤操作，這個可以通過變量innodb_flush_log_at_timeout控制，默認1s。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_flush_log_at_timeout';-- global級別，無session級別

磁盤結構

InnoDB引擎的磁盤結構，從大的方面來說可以分為Tablespace和redo log兩部分

Tablespace

Tablespace可以分為4大類，分別是：System Tablespace，File-Per-Table Tablespaces，General Tablespaces，Undo Tablespaces

System Tablespace

系統表空間中包括了 InnoDB data dictionary,doublewrite buffer, change buffer, undo logs 4個部分，默認情況下InnoDB存儲引擎有一個共享表空間ibdata1,如果我們創建表沒有指定表空間，則表和索引數據也會存儲在這個文件當中，可以通過一個變量控制(后面會介紹)。

ibdata1文件默認大小為12MB，可以通過變量innodb_data_file_path來控制，改變其大小的最好方式就是設置為自動擴展。

innodb_data_file_path=ibdata1:12M:autoextend

上面表示默認表空間ibdata1大小為12MB，支持自動擴展大小。

當我們的文件達到一定的大小之后，比如達到了998MB，我們就可以另外開啟一個表空間文件：

innodb_data_home_dir= innodb_data_file_path=/ibdata/ibdata1:988M;/disk2/ibdata2:50M:autoextend

關于上面的設置有3點需要注意：

• innodb_data_home_dir如果不設置的話，那么就默認所有的表空間文件都在datadir目錄下，而我們上面指定了2個不同路徑，所以需要把innodb_data_home_dir設為空

• autoextend這個屬性，只能放在最后一個文件

• 指定新的表空間文件名的時候，不能和現有表空間文件名一致，否則啟動MySQL時會報錯

當然，表空間可以增大，自然也可以減少，但是一般我們都不會去設置減少，而且減少表空間也相對麻煩，在這里就不展開敘述了。

InnoDB Data Dictionary

InnoDB數據字典由內部系統表組成，其中包含用于跟蹤對象(如表、索引和表列)的元數據。元數據在物理上位于InnoDB系統表空間中。由于歷史原因，數據字典元數據在某種程度上與存儲在InnoDB表元數據文件(.frm文件)中的信息重疊。

Doublewrite Buffer

Doublewrite Buffer，雙寫緩沖區，這個是InnoDB為了實現double write而設置的一塊緩沖區，double write和上面的change buffer一個確保了可靠性，一個確保了性能的提升，是InnoDB中非常重要的兩大特性。

我們先來看下面一張圖：

InnoDB默認頁的大小是16KB，而操作系統是4KB，如果存儲引擎正在寫入頁的數據到磁盤時發生了宕機，可能出現頁只寫了一部分的情況，比如只寫了 4K，這種情況叫做部分寫失效（partial page write），可能會導致數據丟失。

可能有人會說，可以通過redo log來恢復，但是注意，redo log恢復數據有一個前提，那就是頁沒有損壞，如果頁本身已經被損壞了，那么是沒辦法恢復的，所以為了確保萬無一失，我們需要先保存一個頁的副本，如果出現了上面的極端情況，可以用頁的副本結合redo log來恢復數據，這就是double write技術。

double write也是由兩部分組成，一部分是內存中的double write buffer,大小為2MB，另一部分是物理磁盤上的共享表空間中的連續128個頁，大小也是2MB，寫入流程如下圖(圖片來源于《MySQL技術內幕 InnoDB存儲引擎》)：

double write機制會使得數據寫入兩次磁盤，但是其并不需要兩倍的I/O開銷或兩倍的I/O操作。通過對操作系統的單個fsync()調用，數據以一個大的順序塊的形式寫入到雙寫入緩沖區。

在大多數情況下默認啟用了doublewrite緩沖區。要禁用doublewrite緩沖區，可通過將變量innodb_doublewrite設置為0即可。

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總結

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