InnoDB 事务及索引原理

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董明斌，商业平台研发部高级开发工程师， 16年3月加入链家网（现贝壳找房）， 专注流量方向研发工作，擅长后端开发。

• 接入层：主要负责连接处理、授权认证、安全等事宜。

• 服务层：查询解析、分析、优化、缓存及所有内置函数，所有跨存储引擎的功能都在这一层实现：存储过程、触发器、视图、binlog、表锁等。

• 存储引擎层：负责MySQL中数据的存储和提取，服务层通过API与存储引擎通信，存储引擎包含几十个底层函数API，每种引擎提供一套具体实现。

• 系统文件层：负责底层文件系统的读写。  

这种分层架构，可以将各层的职责划分得很清晰，方便扩展。

2.2 InnoDB存储引擎

InnoDB属存储引擎层，是MySQL的默认存储引擎（5.1版本及以上）。InnoDB相较其它存储引擎的主要特点有：支持事务、支持高并发、自动崩溃恢复、基于聚簇索引组织表数据等。我们主要关注如下问题： InnoDB是如何保证事务？如何支持高并发？数据如何存储？

3. 事务原理

事务具有4个基本特征，分别是：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Duration），简称ACID，这是标准 SQL 规范，InnoDB通过自己的方式实现之。

3.1 ACID特性

• 原子性：最小工作单元，要么全成功，要么全失败 。

• 一致性：事务开始和结束后，数据库的完整性不会被破坏  。

• 隔离性：事务之间互不影响，四种隔离级别 RU（读未提交）、RC（读已提交）、RR（可重复读）、SERIALIZABLE （串行化）。

• 持久性：事务提交后，对数据的修改是永久性的，即使系统故障也不会丢失 。

  

  主要关注下隔离性，InnoDB默认隔离级别为RR，该级别下InnoDB通过MVCC机制—— “非阻塞的快照读和加锁（行锁+间隙锁）的当前读”避免了幻读的发生。那么什么是幻读呢？ 所谓幻读，是指同一个事务里，相同语句的当前读 ，返回的记录是完全相同的 (记录数量一致，记录本身也一致)，后面的当前读，不会比第一次返回更多的记录 (幻象) 。

3.2 事务日志

InnoDB 使用 undo、 redo log 来保证事务原子性、一致性及持久性，同时采用 预写日志 方式将随机写入变成顺序追加写入，提升事务性能。

• undo log ：记录事务变更前的状态。操作数据之前，先将数据备份到 undo log ，然后进行数据修改，如果出现错误或用户执行了 rollback 语句，则系统就可以利用 undo log 中的历史版本恢复到事务开始之前的状态。

• redo log ：记录事务将要变更后的状态。事务提交时，只要将 redo log 持久化即可，数据可在内存中变更。当系统崩溃时，虽然数据没有落盘，但是 redo log 已持久化，系统可以根据 redo log 的内容，将所有数据恢复到最新的状态。

• checkpoint ：随着时间的积累， redo log 会变的很大很大。如果每次都从第一条记录开始恢复，恢复的过程就会很慢。为了减少恢复的时间，就引入了 checkpoint 机制。定期将 databuffer 的内容刷新到磁盘 datafile 内，然后清除 checkpoint 之前的 redo log 。

• 自动恢复 ：InnoDB通过加载最新快照，然后重放最近的 checkpoint 点之后所有 redo log 事务（包括未提交和回滚了的），再通过 undo log 回滚那些未提交的事务，来完成数据恢复。需要注意的地方是， undo log 其实也是行数据，对其写操作也会记录到 redo log 内，即 undo log 也是通过 redo log 来保证持久化的。

  事务流程

  

上图为事务写操作执行的大致过程，整个过程中只有一次刷盘操作，即事务提交时的 redo log 的写盘。其实写盘并不一定会立马持久化到磁盘，要看数据库配置，默认情况下 Innodb_flush_log_at_trx_commit=1 ，即一次 redo log 写盘操作会立即写到磁盘中，是最保险的方案。

InnoDB中多个事务共享一个 redo log buffer ， 写盘时，会将当前 buffer 中的多个事务日志持久化，而不管事务有没有 commit ，而且并不是只有事务 commit 才会触发 redo log 写盘，其它操作如 redo log buffer 空间不足、触发 checkpoint 、实例 shutdown 及 binlog 切换时都会触发 redo log 写盘操作。

3.3 MVCC

InnoDB使用MVCC机制来提升RR隔离级别的并发性。 MVCC (Multi-Version Concurrency Control) 多版本并发控制协议，将读操作分成两类： 快照读 与 当前读 。 读取的是记录的最新版本，会对返回的记录加上锁，确保其他事务不能并发修改 。

• 快照读：简单的查询操作，属于快照读，不加锁。如：

1 select * from table where ?;

• 当前读：特殊的读操作及插入/更新/删除操作，属于当前读，需要加锁。以下都是当前读：

1  select * from table where ? lock in share mode;
2  select * from table where ? for update;
3  insert into table values (…);
4  update table set ? where ?;
5  delete from table where ?;

快照 读 是通过 undo log 来实现多个版本的控制。如下图，每个数据行： row_id 为行id， trx_id 表示最近修改的事务id ， db_roll_ptr 为指向 undo segment 中 undo log 的指针。快照读时，比较当前事务id与 trx_id 的关系，如果 trx_id 小于事务id，则该条数据对当前事务可见，反之不可见，不可见时再通过 db_roll_ptr 查找历史版本记录，取出可见的最近的历史记录。 undo log 的链路不会很深，后台 purge 线程定期清除无用的历史版本（在没有活动事务依赖时， undo log 即可被删除）。

3.4 加锁分析：总结于何登成的《  InnoDB加锁处理分析》

当前读都会加锁，怎么加？则要看具体情景——隔离级别及索引情况。
在InnoDB的RR隔离级别下，对于同一条SQL语句：

DELETE FROM  T1  WHERE ID=10;

• 当ID列为主键 时：锁主键索引上 id=10 的记录。  

  

• 当ID列为唯一索引 ：先锁唯一索引上的 id=10 的行，再锁主键索引上 name=d 的行。  

  

• 当ID列为二级索引 ：在二级索引上，会给 id=10 的所有行加X锁，而且会给被锁行的前后范围加GAP锁；主键索引上，给相应记录加X锁。

  

• 当ID列未加索引：此种情况 后果很严重 ！主键索引所有行都被加X锁，所有间隙被加GAP锁！全表的数据都被锁的，没有并发可言，因此一定要检查当前读的where条件语句是否走索引。

  

GAP锁的意义：当前事务占住间隙范围，避免其它事务往这个范围插入数据，引起幻读，只发生在RR隔离级别。如果id列是唯一索引（或主键索引 ），且当前读条件语句中的id不存在时，InnoDB也会给范围加GAP锁。

4. 索引结构

使用索引的优点：减少需要扫描的数据量，避免文件 排序 及临时表，将随机I/O变为顺序I/O等，从而达到更快的读写数据。InnoDB采用B+树的结构来组织索引。

4.1 B+树

InnoDB之所以采用B+树来组织索引，是由其扁平化的结构决定的。非叶子节点记录索引列的key值，真实数据只存于叶子节点，这样的好处是非叶子节点很适合做缓存（一个大节点约16k，能存储1200多个key值）。真实数据库中的B+树是非常扁平的，高度为3时容量可达22GB;高度为4时则可存储26TB；另外大节点之间用双向链表互连，方便顺序扫描。

4.2 聚簇索引及二级索引

• 聚簇索引：是按照每张表的主键，构造一颗B+树，同时叶子节点存放的是表的行纪录数据（聚集索引的叶子节点也称为数据页）。聚簇索引是一种数据存储方式。将主键id设为自增，可使随机insert变为顺序append，不会产生页分裂和碎片，提升写性能。

• 二级索引：InnoDB二级索引的叶节点存储的是主键id，查询数据时，先索引到主键id，再回聚簇表查询数据详情，需要走两次索引查找。主键的数据类型尽量要小，它直接影响索引树的存储空间。

4.3 高性能索引策略

正确地创建和使用索引是实现高性能查询的基础。

• 独立的列：指索引列不能是表达式的一部分，也不能是函数的参数。我们应该养成简化 WHERE条件的习惯，始终将索引列单独放在比较符号的一侧。

• 前缀索引及索引选择性：有时候需要索引很长的字符列，这会让索引变得大且慢。可以索引开始的部分字符，能大大节约索引空间，提高索引效率，这就是前缀索引。索引的选择性越高则查询效率越高，前缀索引取多长字符，需要折中数据大小与选择性强弱。

• 合适的索引列顺序：索引不是越多越好，通常会建一个复合索引，以满足多个查询语句，这就要求合适的索引列顺序。复合索引的匹配规则是，最左前缀匹配，且遇到第一范围查询条件时，停止匹配。因此通常会将通用的列放索引前面，范围查询列放索引后面。

• 覆盖索引： 如果一个索引包含（或者说覆盖）所有需要查询的字段的值，称之为“覆盖索引” 。这是个非常有用的工具，能够极大的提高性能，只需要扫描二级索引而无须回表。

• 使用索引扫描来排序：MySQL有两种方式生成有序的结果，排序操作或者按索引顺序扫描。排序操作费时费空间，而索引扫描只需要从一条索引记录移到紧接着的下一条记录，是很快的。需要注意，只有当索引的列顺序和ORDER BY子句的顺序完全一致，并且所有列的排序方向都一样时，MySQL才能够使用索引来对结果做排序。

SQL优化跟索引息息相关，需要具体场景具体分析。EXPLAIN之后，关注有没有走预期的索引，有没有文件排序，扫描多少数据量等等。

5. 总结

后端RD在日常工作中会经常遇到MySQL死锁及慢查询问题，带着这些问题，我们能更快的去了解InnoDB的事务及索引原理；反之，理解了原理，再回顾之前遇到的场景，也能豁然。通过本文希望大家能理解 InnoDB是如何保证事务？如何支持高并发？数据如何存储？

参考

• InnoDB加锁处理分析

• 《高性能MySQL》

• InnoDB存储引擎MVCC实现原理

• MySQL的InnoDB索引原理详解

• MySQL · 引擎特性 · InnoDB redo log漫游

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