MySQL-存储引擎&&索引

存储引擎

MySQL体系结构

1). 连接层

最上层是一些客户端和链接服务，包含本地sock 通信和大多数基于客户端/服务端工具实现的类似于 TCP/IP的通信。主要完成一些类似于连接处理、授权认证、及相关的安全方案。在该层上引入了线程 池的概念，为通过认证安全接入的客户端提供线程。同样在该层上可以实现基于SSL的安全链接。服务器也会为安全接入的每个客户端验证它所具有的操作权限。

2). 服务层

第二层架构主要完成大多数的核心服务功能，如SQL接口，并完成缓存的查询， SQL的分析和优化，部 分内置函数的执行。所有跨存储引擎的功能也在这一层实现，如 过程、函数等。在该层， 服务器会解 析查询并创建相应的内部解析树，并对其完成相应的优化如确定表的查询的顺序，是否利用索引等， 最后生成相应的执行操作。如果是select语句，服务器还会查询内部的缓存，如果缓存空间足够大， 这样在解决大量读操作的环境中能够很好的提升系统的性能。

3). 引擎层

存储引擎层， 存储引擎真正的负责了MySQL中数据的存储和提取，服务器通过API和存储引擎进行通 信。不同的存储引擎具有不同的功能，这样我们可以根据自己的需要，来选取合适的存储引擎。数据库 中的索引是在存储引擎层实现的。

4). 存储层

数据存储层， 主要是将数据(如 : redolog、 undolog、数据、索引、二进制日志、错误日志、查询 日志、慢查询日志等)存储在文件系统之上，并完成与存储引擎的交互。

和其他数据库相比， MySQL有点与众不同，它的架构可以在多种不同场景中应用并发挥良好作用。主要体现在存储引擎上，插件式的存储引擎架构，将查询处理和其他的系统任务以及数据的存储提取分离。 这种架构可以根据业务的需求和实际需要选择合适的存储引擎。

存储引擎介绍

大家可能没有听说过存储引擎，但是一定听过引擎这个词，引擎就是发动机，是一个机器的核心组件。 比如，对于舰载机、直升机、火箭来说，他们都有各自的引擎，是他们最为核心的组件。而我们在选择 引擎的时候，需要在合适的场景，选择合适的存储引擎，就像在直升机上，我们不能选择舰载机的引擎 一样。

而对于存储引擎，也是一样，他是mysql数据库的核心，我们也需要在合适的场景选择合适的存储引 擎。接下来就来介绍一下存储引擎。

存储引擎就是存储数据、建立索引、更新/查询数据等技术的实现方式 。存储引擎是基于表的，而不是 基于库的，所以存储引擎也可被称为表类型。我们可以在创建表的时候，来指定选择的存储引擎，如果 没有指定将自动选择默认的存储引擎。

1). 建表时指定存储引擎

CREATE TABLE  表名 (
      字段1  字段1类型    [ COMMENT  字段1注释 ],
       ......
      字段n  字段n类型    [COMMENT  字段n注释 ]
) ENGINE = INNODB   [ COMMENT  表注释 ] ; 

2). 查询当前数据库支持的存储引擎

show engines; 

示例演示 :

A. 查询建表语句 --- 默认存储引擎 : InnoDB

create table dept(
    id   int auto_increment comment 'ID' primary key,
    name varchar(50) not null comment '部门名称'
)comment '部门表';

show create table dept;

 

可以看到，创建表时，即使我们没有指定存储疫情，数据库也会自动选择默认的存储引擎。

B.创建表 my_myisam , 并指定MyISAM存储引擎

create table my_myisam(
       id int,
       name varchar (10)
) engine = myisam ; 

C.创建表 my_memory , 指定Memory存储引擎

create table my_memory (
       id int,
       name varchar (10)
) engine = Memory ; 

存储引擎特点

上面我们介绍了什么是存储引擎，以及如何在建表时如何指定存储引擎，接下来我们就来介绍下来上面 重点提到的三种存储引擎 InnoDB、 MyISAM、 Memory的特点。

InnoDB

1). 介绍

InnoDB是一种兼顾高可靠性和高性能的通用存储引擎，在 MySQL 5.5 之后， InnoDB是默认的 MySQL 存储引擎。

2). 特点

• DML操作遵循ACID模型，支持事务；

• 行级锁，提高并发访问性能；

• 支持外键FOREIGN KEY约束，保证数据的完整性和正确性；

3). 文件

xxx.ibd： xxx代表的是表名， innoDB引擎的每张表都会对应这样一个表空间文件，存储该表的表结 构（ frm-早期的 、 sdi-新版的）、数据和索引。

 参数： innodb_file_per_table
show variables  like 'innodb_file_per_table ';

如果该参数开启，代表对于InnoDB引擎的表，每一张表都对应一个ibd文件。 我们直接打开MySQL的数据存放目录：/var/lib/mysql ， 这个目录下有很多文件夹，不同的文件夹代表不同的数据库，我们直接打开db2文件夹。

[root@localhost db2]# ll
总用量 248
-rw-r-----. 1 mysql mysql    67 10月 30 08:18 db.opt
-rw-r-----. 1 mysql mysql  8600 10月 30 08:20 dept.frm
-rw-r-----. 1 mysql mysql 98304 10月 30 08:26 dept.ibd
-rw-r-----. 1 mysql mysql  8672 10月 30 08:25 emp.frm
-rw-r-----. 1 mysql mysql 98304 10月 30 08:26 emp.ibd
-rw-r-----. 1 mysql mysql  8586 10月 30 08:31 my_memory.frm
-rw-r-----. 1 mysql mysql  8586 10月 30 08:30 my_myisam.frm
-rw-r-----. 1 mysql mysql     0 10月 30 08:30 my_myisam.MYD
-rw-r-----. 1 mysql mysql  1024 10月 30 08:30 my_myisam.MYI 

可以看到里面有很多的ibd文件，每一个ibd文件就对应一张表，比如：我们有一张表 emp，就有这样的一个emp.ibd文件，而在这个ibd文件中不仅存放表结构、数据，还会存放该表对应的索引信息。

frm的意思为“表定义”，是描述数据表结构的文件。frm文件是用来保存每个数据表的元数据信息，包括表结构的定义等。frm文件跟数据库存储引擎无关，也就是任何存储引擎的数据表都必须有frm文件，命名方式为“数据表名.frm”。

4). 逻辑存储结构

• 表空间 : InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层， ibd文件其实就是表空间文件，在表空间中可以包含多个Segment段。

• 段 : 表空间是由各个段组成的， 常见的段有数据段、索引段、回滚段等。 InnoDB中对于段的管理，都是引擎自身完成，不需要人为对其控制，一个段中包含多个区。

• 区 : 区是表空间的单元结构，每个区的大小为1M。 默认情况下， InnoDB存储引擎页大小为16K， 即一个区中一共有64个连续的页。

• 页 : 页是组成区的最小单元， 页也是InnoDB 存储引擎磁盘管理的最小单元，每个页的大小默认为 16KB。为了保证页的连续性， InnoDB 存储引擎每次从磁盘申请 4-5 个区。

• 行 : InnoDB 存储引擎是面向行的，也就是说数据是按行进行存放的，在每一行中除了定义表时所指定的字段以外，还包含两个隐藏字段(后面会详细介绍)。

MyISAM

1). 介绍

MyISAM是MySQL早期的默认存储引擎。

2). 特点

• 不支持事务，不支持外键

• 支持表锁，不支持行锁

• 访问速度快

3). 文件

xxx.frm(xxx.sdi)：存储表结构信息

xxx.MYD: 存储数据

xxx.MYI: 存储索引

Memory

1). 介绍

Memory引擎的表数据时存储在内存中的，由于受到硬件问题、或断电问题的影响，只能将这些表作为临时表或缓存使用。

2). 特点

• 内存存放

• hash索引（默认）

3).文件

xxx.frm(xxx.sdi)：存储表结构信息

区别及特点

面试题 :

InnoDB引擎与MyISAM引擎的区别 ?

① . InnoDB引擎 , 支持事务 , 而MyISAM不支持。

② . InnoDB引擎 , 支持行锁和表锁 , 而MyISAM仅支持表锁 , 不支持行锁。

③ . InnoDB引擎 , 支持外键 , 而MyISAM是不支持的。 

存储引擎选择

在选择存储引擎时，应该根据应用系统的特点选择合适的存储引擎。对于复杂的应用系统，还可以根据 实际情况选择多种存储引擎进行组合。

• InnoDB: 是Mysql的默认存储引擎，支持事务、外键。如果应用对事务的完整性有比较高的要求，在并发条件下要求数据的一致性，数据操作除了插入和查询之外，还包含很多的更新、删除操作，那么InnoDB存储引擎是比较合适的选择。

• MyISAM ： 如果应用是以读操作和插入操作为主，只有很少的更新和删除操作，并且对事务的完整性、并发性要求不是很高，那么选择这个存储引擎是非常合适的。

• MEMORY：将所有数据保存在内存中，访问速度快，通常用于临时表及缓存。 MEMORY的缺陷就是对表的大小有限制，太大的表无法缓存在内存中，而且无法保障数据的安全性。

索引

索引概述

介绍

索引（index）是帮助MySQL高效获取数据的数据结构(有序)。在数据之外，数据库系统还维护着满足 特定查找算法的数据结构，这些数据结构以某种方式引用（指向）数据， 这样就可以在这些数据结构 上实现高级查找算法，这种数据结构就是索引。

一提到数据结构，大家都会有所担心，担心自己不能理解，跟不上节奏。不过在这里大家完全不用担 心，我们后面在讲解时，会详细介绍。

演示

表结构及其数据如下：

假如我们要执行的SQL语句为 ： select * from user where age = 45;

1). 无索引情况

在无索引情况下，就需要从第一行开始扫描，一直扫描到最后一行，我们称之为全表扫描，性能很低。

2). 有索引情况

如果我们针对于这张表建立了索引，假设索引结构就是二叉树，那么也就意味着，会对age这个字段建 立一个二叉树的索引结构。

此时我们在进行查询时，只需要扫描三次就可以找到数据了，极大的提高的查询的效率。

特点

索引结构

概述

MySQL的索引是在存储引擎层实现的，不同的存储引擎有不同的索引结构，主要包含以下几种：

上述是MySQL中所支持的所有的索引结构，接下来，我们再来看看不同的存储引擎对于索引结构的支持 情况。  

二叉树

假如说MySQL的索引结构采用二叉树的数据结构，比较理想的结构如下：

 如果主键是顺序插入的，则会形成一个单向链表，结构如下：

所以，如果选择二叉树作为索引结构，会存在以下缺点：

• 顺序插入时，会形成一个链表，查询性能大大降低。

• 大数据量情况下，层级较深，检索速度慢。

此时大家可能会想到，我们可以选择红黑树，红黑树是一颗自平衡二叉树，那这样即使是顺序插入数 据，最终形成的数据结构也是一颗平衡的二叉树 ,结构如下 :

但是，即使如此，由于红黑树也是一颗二叉树，所以也会存在一个缺点：

• 大数据量情况下，层级较深，检索速度慢。

所以，在MySQL的索引结构中，并没有选择二叉树或者红黑树，而选择的是B+Tree，那么什么是 B+Tree呢？在详解B+Tree之前，先来介绍一个B-Tree。

B-Tree

B-Tree， B树是一种多叉路衡查找树，相对于二叉树， B树每个节点可以有多个分支，即多叉。以一颗最大度数（max-degree）为5(5阶)的b-tree为例，那这个B树每个节点最多存储4个key，5个指针：

知识小贴士: 树的度数指的是一个节点的子节点个数  

数据结构可视化的网站。B-Tree Visualization

插入一组数据： 100 65 169 368 900 556 780 35 215 1200 234 888 158 90 1000 88 120 268 250 。然后观察一些数据插入过程中，节点的变化情况。

特点：

• 5阶的B树，每一个节点最多存储4个key，对应5个指针。

• 一旦节点存储的key数量到达5，就会裂变，中间元素向上分裂。

• 在B树中，非叶子节点和叶子节点都会存放数据。

B+Tree

B+Tree是B-Tree的变种，我们以一颗最大度数（max-degree）为4 （4阶）的b+tree为例，来看一 下其结构示意图：

我们可以看到，两部分：

• 绿色框框起来的部分，是索引部分，仅仅起到索引数据的作用，不存储数据。

• 红色框框起来的部分，是数据存储部分，在其叶子节点中要存储具体的数据。

数据结构可视化的网站来。 B+ Tree Visualization

• 插入一组数据： 100 65 169 368 900 556 780 35 215 1200 234 888 158 90 1000 88 120 268 250 。然后观察一些数据插入过程中，节点的变化情况。

最终我们看到， B+Tree 与 B-Tree相比，主要有以下三点区别：

• 所有的数据都会出现在叶子节点。

• 叶子节点形成一个单向链表。

• 非叶子节点仅仅起到索引数据作用，具体的数据都是在叶子节点存放的。

上述我们所看到的结构是标准的B+Tree的数据结构，接下来，我们再来看看MySQL中优化之后的 B+Tree。

MySQL索引数据结构对经典的B+Tree进行了优化。在原B+Tree的基础上，增加一个指向相邻叶子节点 的链表指针，就形成了带有顺序指针的B+Tree，提高区间访问的性能，利于排序。

Hash

MySQL中除了支持B+Tree索引，还支持一种索引类型---Hash索引。

1). 结构

哈希索引就是采用一定的hash算法，将键值换算成新的hash值，映射到对应的槽位上，然后存储在hash表中。

如果两个(或多个)键值，映射到一个相同的槽位上，他们就产生了hash冲突（也称为hash碰撞），可 以通过链表来解决。

2). 特点

A. Hash索引只能用于对等比较 (=， in)，不支持范围查询（between， >， < ， ...）

B. 无法利用索引完成排序操作

C. 查询效率高，通常(不存在hash冲突的情况)只需要一次检索就可以了，效率通常要高于B+tree索 引

3). 存储引擎支持

在MySQL中，支持hash索引的是Memory存储引擎。 而InnoDB中具有自适应hash功能， hash索引是 InnoDB存储引擎根据B+Tree索引在指定条件下自动构建的。

思考题： 为什么InnoDB存储引擎选择使用B+tree索引结构?

A. 相对于二叉树，层级更少，搜索效率高； B. 对于B-tree，无论是叶子节点还是非叶子节点，都会保存数据，这样导致一页中存储的键值减少，指针跟着减少，要同样保存大量数据，只能增加树的高度，导致性能降低； C. 相对Hash索引，B+tree支持范围匹配及排序操作；

索引分类

索引分类

在MySQL数据库，将索引的具体类型主要分为以下几类：主键索引、唯一索引、常规索引、全文索引。

聚集索引&二级索引

而在在InnoDB存储引擎中，根据索引的存储形式，又可以分为以下两种：

聚集索引选取规则 :

• 如果存在主键，主键索引就是聚集索引。

• 如果不存在主键，将使用第一个唯一（UNIQUE)索引作为聚集索引。

• 如果表没有主键，或没有合适的唯一索引，则InnoDB会自动生成一个rowid作为隐藏的聚集索 引。

聚集索引和二级索引的具体结构如下：

• 聚集索引的叶子节点下挂的是这一行的数据 。

• 二级索引的叶子节点下挂的是该字段值对应的主键值。

接下来，我们来分析一下，当我们执行如下的SQL语句时，具体的查找过程是什么样子的。

具体过程如下 :

① . 由于是根据name字段进行查询，所以先根据name='Arm'到name字段的二级索引中进行匹配查 找。但是在二级索引中只能查找到 Arm 对应的主键值 10。

② . 由于查询返回的数据是*，所以此时，还需要根据主键值10，到聚集索引中查找10对应的记录，最 终找到10对应的行row。

③ . 最终拿到这一行的数据，直接返回即可。

回表查询： 这种先到二级索引中查找数据，找到主键值，然后再到聚集索引中根据主键值，获取数据的方式，就称之为回表查询。

思考题： 以下两条SQL语句，那个执行效率高? 为什么? A. select * from user where id = 10 ; B. select * from user where name = 'Arm' ; 备注: id为主键，name字段创建的有索引； 解答： A 语句的执行性能要高于B 语句。 因为A语句直接走聚集索引，直接返回数据。 而B语句需要先查询name字段的二级索引，然 后再查询聚集索引，也就是需要进行回表查询。

思考题： InnoDB主键索引的B+tree高度为多高呢?

假设: 一行数据大小为1k，一页中可以存储16行这样的数据。InnoDB的指针占用6个字节的空 间，主键即使为bigint，占用字节数为8。 高度为2： n * 8 + (n + 1) * 6 = 161024 , 算出n约为 1170 1171 16 = 18736 也就是说，如果树的高度为2，则可以存储 18000 多条记录。 高度为3： 1171 * 1171 * 16 = 21939856 也就是说，如果树的高度为3，则可以存储 2200w 左右的记录。