一、索引#

1 B树和B+树#

B树（B-树）特点#

B树和B+树是平衡多路查找树（b是balance（平衡））

  1. 每个根结点有多个叶子节点
  2. 高度平衡，每个根节点高度一致
  3. 高度小，查找速度较快
  4. 所有节点遵循左小右大

B+树和B树的区别#

  1. 所有结果只存储在叶子节点，所有根节点不存储数据。
  2. 每个叶子节点都有指向下一个节点的指针。

B+树特点：

  1. 查询速度稳定，存储在叶子节点，查找次数相同
  2. 遍历更快
  3. 通过叶子节点存储指针，能满足空间局部性原理，如果存储器上某个位置被访问，那么它附近的位置也会被访问

2 各种类型的索引#

2.1 聚簇索引和非聚簇索引#

按照底层存储方式角度划分

  1. 聚簇索引（聚集索引）
    索引结构和数据一起存放的索引，InnoDB的主键索引就属于聚簇索引（字典里的拼音）
    优点：

    • 查询速度快。相当于直接定位到了数据

    缺点：

    • 需要数据有序
    • 更新代价大。更新数据，需要更新索引，需要更新索引里的数据。

  2. 非聚簇索引（非聚集索引）
    索引顺序和物理存储顺序不同（字典里的偏旁）
    优点：

    • 更新代价较小。叶子节点不存放数据

    缺点：

    • 需要数据有序
    • 可能会需要二次查询，回表。（查的内容就在索引里就不需要回表，满足覆盖索引的条件）

2.2 主键索引和二级索引#

  1. 主键索引
    加速查询，列值唯一（不可以为NULL），一张表只有一个主键
  2. 唯一索引
    加速查询，列值唯一（可以有NULL），一张表可以有多个
  3. 普通索引
    只能加速查询，允许值重复和有NULL，一张表可以有多个
  4. 前缀索引
    只适用于字符串类型，对文本的前几个字符创建索引，比普通索引建立的数据更小

2.3 覆盖索引和联合索引#

覆盖索引

  • 索引覆盖了查询内容
  • 比如：对列a、b做索引，只查a或者b不需要回表。

联合索引（组合索引、复合索引）

  • 使用表中的多个字段创建索引

3 联合索引的最左前缀匹配原则和失效条件#

  • 定义：按照最左优先的方式进行索引的匹配。
  • 示例：比如对a，b，c三列做索引，a、ab、abc可以使用索引，b、c、bc无法使用索引。
  • 结构：
    先按 a 排序，在 a 相同的情况再按 b 排序，在 b 相同的情况再按 c 排序。
    所以，b 和 c 是全局无序，局部相对有序的，这样在没有遵循最左匹配原则的情况下，是无法利用到索引的。
  • 联合索引失效条件：
    • 不满足最左前缀原则
    • 在列上做操作：计算、函数、类型转换
    • 使用不等于、大于、小于，后边的会失效（a>100 and b=1，此时b的索引失效，但a用到了）
    • 使用LIKE的时候，以%开头会导致索引失效
    • 字符串不加单引号

4 使用索引的规范#

MySQL索引规范#

  1. 在常用的查询中使用索引
  2. 尽量使用覆盖索引，即在索引中包含查询所需的所有列，以避免回表操作。
  3. 遵循最左前缀原则

什么情况不建议使用索引#

  1. where、group by、order by用不到的字段不加索引
  2. 大量重复数据不建索引，例如性别
  3. 谨慎为经常更新的表创建过多索引
  4. 不建议使用无序的值作为索引
  5. 数据量小的表最好不要使用索引，少于1000个

二、特性#

InnoDB#

InnoDB的默认级别是可重复读。
InnoDB的MVCC和next-key lock 可以避免幻读产生，已经可以完全保证事务的隔离性要求，达到可串行化的效果，并且不会有可串行化的更多的锁的性能损失。

  • 事物的原子性是通过undo log来保证。
  • 事务的隔离性是通过读写锁 + MVCC机制来实现的。
  • 事务的持久性是通过redo log来实现的。

MVCC#

MVCC是多版本并发控制，是InnoDB在可重复读隔离级别下事务的实现方式。
一般情况下读读不需要锁，读写、写写都需要锁。用了MVCC后，在读写时不需要加锁，但可能读到历史数据。
MVCC实现基于：隐式字段、undo log、read view。

undo log#

  • 生成时间
    • 事务开始之前
  • 作用及内容
    • 保存的是当前事物上一版本的数据，用于事物回滚数据、MVCC
  • 使用的原因
    • 事务执行过程中可能遇到各种错误，比如服务器本身的错误等。
    • 程序在执行过程中通过ROLLBACK取消当前事务的执行。
    • 可能已经执行一半就结束，但已经修改了很多数据，为了事务的原子性，需要把修改的数据给还原回来。
  • insert undo log
    • 只在事务回滚时需要，并且在事务提交后可以被立即丢弃
  • update undo log
    • 不仅在事务回滚时需要，在快照读时也需要；所以不能随便删除，只有在快速读或事务回滚不涉及该日志时，对应的日志才会被统一清除。
  • 对同一行加锁时，undolog是链表，新的会放在旧的前边。

redo log#

  • 生成时间
    • 事物开始之后（由于事物两阶段提交的原因，redolog会在事物执行过程中产生）
  • 作用及内容
    • 保存的是内存中修改的数据，用于数据库宕机后数据的恢复
  • 刷盘策略
    • 先写入redo log buffer 中，然后再按照一定频率刷新到redo log file

两阶段提交协议#

  • 准备阶段
    • 协调者向参与者发起指令、参与者评估自己的状态。如果参与者评估指令可以完成，则会写undolog。然后锁定资源，执行操作，但是并不提交。
  • 提交阶段
    • 如果每个参与者明确返回准备成功，则协调者参与者发起提交指令，参与者提交资源变更的事物，释放锁定的资源。
    • 如果任何一个参与者明确返回准备失败，则协调者向参与者发起终止命令，参与者取消已变更的事物，执行undolog，释放锁定的资源

三、架构、引擎#

1 基础架构#

MySQL如何执行一条SQL#

  1. 客户端发起请求
  2. 连接器（验证用户身份，给予权限）
  3. 查询缓存（存在缓存则直接返回，不存在则执行后续操作）
  4. 分析器（对SQL进行词法分析和语法分析操作）
  5. 优化器（主要对执行的sql优化选择最优的执行方案）
  6. 执行器（执行时会先看用户是否有执行权限，有才去使用这个引擎提供的接口）
  7. 去存储引擎获取数据返回（如果开启查询缓存则会缓存查询结果）

2 存储引擎#

存储引擎基于表，而不是数据库（比如同一个库下，a表是InnoDB，b表是MyISAM）。
默认InnoDB。

2.1 MyISAM和InnoDB的区别#

  1. MyISAM只支持表级锁，InnoDB还支持行级锁，默认为行级锁
  2. MyISAM不支持事物，InnoDB支持事物，默认可重复读。这个级别下解决幻读，是基于MVCC和Next-Key LOCK实现的。
  3. MyISAM不支持外键，InnoDB支持使用外键。但是一般情况下使用外键概念必须在应用层解决。
  4. InnoDB的redo log支持崩溃后的恢复，MyISAM不支持
  5. InnoDB支持MVCC，减少加锁操作，提高性能。

四、基本原理#

事物的特性（ACID）#

  • 原子性：一个事务中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不会结束在中间某个环节。事务在执行过程中发生错误，会被回滚到事务开始前的状态，就像这个事务从来没有被执行过一样。
  • 一致性：执行事务前后，数据库的完整性没有被破坏，写入的内容必须完全符合所有的预设规则。例如转账业务中，无论事务是否成功，转账者和收款人的总额应该是不变的。
  • 隔离性： 并发访问数据库时，一个用户的事务不被其他事务所干扰，各并发事务之间数据库是独立的。
  • 持久性： 一个事务被提交之后，对数据的修改就是永久的，即便系统故障也不会丢失。

脏读、幻读、不可重复读#

  • 脏读：读取到了未提交的事务数据。
  • 不可重复读：在同一事务中，两次查询同一个记录得到的结果不一致。
  • 幻读：在同一事务中，两次查询同一范围，后一次查询看到了前一次查询没有看到的行。
  • 脏读
    例如：变量为50，事物A要修改为100，A还未提交，事物B已经读取到了100。但此时发生回滚，数据库里的变量还是50而不是100，事物B读取到的和数据库真实的不一致。
  • 丢失修改
    例如：事物A和事物B都对变量修改，期望将结果+1的修改。t1时刻事物A获取变量值是50，t2时刻事物B也获取变量值是50。但事物A还未执行修改完毕，数据库最后的结果是51而不是52，事物A的修改丢失了。
  • 不可重复读
    例如：事物A对变量只读，事物B对变量修改。t1时刻事物A读取到变量结果是50，t2时刻事物B将结果修改为100，t3时刻事物A发现变量的结果发生改变。
  • 幻读
    1. select 某记录是否存在——不存在。
    2. 准备插入此记录
    3. 但执行 insert 时发现此记录已存在，无法插入 此时就发生了幻读
  • 不可重复读和幻读的区别：幻读是查询到的个数的区别，不可重复读是内容的区别。两者解决方案不一致，加的锁不一样。
    • 不可重复读：UPDATE和DELETE，幻读：INSERT。

事物隔离级别#

  • 未提交读：事务中发生了修改，即使没有提交，其他事务也是可见的。
    • 可能会导致脏读、幻读或不可重复读。
  • 提交读：可以避免未提交读发生的情况，只有提交后的才能被看到。
    • 可以阻止脏读，但是幻读或不可重复读仍有可能发生。
  • 可重复读：对一个记录读取多次的结果是相同的，除非数据是被本身事务自己所修改。
    • 可以阻止脏读和不可重复读，但幻读仍有可能发生。
  • 串行化：最高的隔离级别。所有的事务依次逐个执行，这样事务之间就完全不可能产生干扰。
    • 该级别可以防止脏读、不可重复读以及幻读。

InnoDB的默认级别是可重复读。
InnoDB的MVCC和next-key lock 可以避免幻读产生，已经可以完全保证事务的隔离性要求，达到可串行化的效果，并且不会有可串行化的更多的锁的性能损失。

五、锁#

  • 行级锁、表级锁：行级锁开销大，冲突少，会死锁。表级锁开销小，冲突大，不会死锁
  • 共享锁、排他锁
  • 乐观锁、悲观锁
  • next-key lock
    • 间隙锁+行锁，能解决幻读的问题
  • gap lock间隙锁

六、使用#

SQL执行的慢的原因和解决方法#

该SQL偶尔执行慢#

  1. 在刷新脏页，redo log写满了需要直接写入磁盘
  2. 执行的时候遇到了锁

该SQL一直执行慢#

  1. 没有用上索引，加索引、查看是否是对字段进行运算、函数，导致未用上索引。
  2. 数据库自己选错了索引，可以用index某列强制走索引。