一文搞懂 MySQL 架构与原理：SQL 语句的生命周期

在初学MySQL时大家第一个学习的SQL一定是select语句例如下面的语句select * from table where id1;但是期间你想是否想过MySQL 执行一条 select 查询语句在 MySQL 中期间发生了什么下面我们带着这个问题了解MySQL的世界。我们可以看上面的图片数据库主要分为三个部分连接管理解析优化存储引擎接下来我们就先MySQL架构的各个组件做详细的了解。第1层连接层系统客户端访问 MySQL 服务器前做的第一件事就是建立 TCP连接。经过三次握手建立连接成功后 MySQL 服务器对 TCP 连接。 TCP 传输过来的账号密码做身份认证、权限获取。# -h 指定 MySQL 服务得 IP 地址如果是连接本地的 MySQL服务可以不用这个参数 # -u 指定用户名管理员角色名为 root # -p 指定密码如果命令行中不填写密码为了密码安全建议不要在命令行写密码就需要在交互对话里面输入密码 mysql -h$ip -u$user -p用户名或密码不对会收到一个Access denied for user错误客户端程序结束执行。用户名密码认证通过会从权限表查出账号拥有的权限与连接关联之后的权限判断逻辑都将依赖于此时读到的权限。TCP连接收到请求后必须要分配给一个线程专门与这个客户端的交互。还会有个线程池去走后面的流程。每一个连接从线程池中获取线程进行数据库操作省去了创建和销毁线程的开销。第2层服务层对SQL语句进行查询处理与数据库文件的存储方式无关。在服务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查询表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。SQL接口SQL Interface接收用户的SQL命令并且返回用户续约查询的结果SQL的分析和优化Parser解析器 在解析器中对SQL语句进行语法分析、语义分析。将SQL语句分解成数据结构并将这个结构传递到后续步骤。以后SQL语句的传递和处理就是基于这个结构的。 生成对应的语法树(1) SQL Interface: SQL接口接收用户的SQL命令并且返回用户需要查询的结果。比如SELECT ...FROM就是调用SQL InterfaceMySQL支持DML数据操作语言、DDL数据定义语言、存储过程、视图、触发器、自定义函数等多种SQL语言接口(2) Parser:解析器在解析器中对SQL语句进行语法分析、语义分析。将SQL语句分解成数据结构并将这个结构传递到后续步骤以后SQL语句的传递和处理就是基于这个结构的。如果在分解构成中遇到错误那么就说明这个SQL语句是不合理的。在SQL命令传递到解析器的时候会被解析器验证和解析并为其创建语法树并根据数据字典验证该客户端是否具有执行该查询的权限。创建好语法树后MySQL还 会对SQl查询进行语法上的优化进行查询重写。(3) Optimizer:查询优化器SQL语句在语法解析之后、查询之前会使用查询优化器确定SQL 语句的执行路径生成一个执行计划。这个执行计划表明应该使用哪些索引进行查询全表检索还是使用索引检索表之间的连接顺序如何最后会按照执行计划中的步骤调用存储引擎提供的方法来真正的执行查询并将查询结果返回给用户。它使用“选取-投影-连接”策略进行查询。例如SELECTid,nameFROMstudentWHEREgender女;这个SELECT查询先根据WHERE语句进行选取而不是将表全部查询出来以后再进行gender过滤。 这个SELECT查询先根据id和 name进行属性过滤将这两个查询条件投影而不是将属性全部取出以后再进行过 连接起来生成最终查询结果。(4) Caches Buffers 查询缓存组件MySQL内部维持着一些Cache和Buffer比如Query Cache用来缓存一条SELECT语句的执行结 果如果能够在其中找到对应的查询结果那么就不必再进行查询解析、优化和执行的整个过 程了直接将结果反馈给客户端。这个缓存机制是由一系列小缓存组成的。比如表缓存记录缓存key缓存权限缓存等 。这个查询缓存可以在 不同客户端之间共享。从MySQL 5.7.20开始不推荐使用查询缓存并在MySQL 8.0中删除 。第3层引擎层插件式存储引擎层Storage Engines真正的负责了MySQL中数据的存储和提取对物理服务器级别 维护的底层数据执行操作服务器通过API与存储引擎进行通信。不同的存储引擎具有的功能不同这样我们可以根据自己的实际需要进行选取。MySQL 8.0.25默认支持的存储引擎如下存储层所有的数据数据库、表的定义表的每一行的内容索引都是存在 文件系统上以 文件的方式存在的并完成与存储引擎的交互。当然有些存储引擎比如InnoDB也支持不使用文件系统直接管理裸设 备但现代文件系统的实现使得这样做没有必要了。在文件系统之下可以使用本地磁盘可以使用DAS、NAS、SAN等各种存储系统。总结MySQL架构图本节开篇所示。下面为了熟悉SQL执行流程方便我们可以简化如下简化为三层结构连接层客户端和服务器端建立连接客户端发送SQL至服务器端SQL层服务层对SQL 语句进行查询处理与数据库文件的存储方式无关存储引擎层与数据库文件打交道负责数据的存储和读取。了解完MySQL的架构我们再来看看SQL语句的执行流程MySQL中的SQL执行流程MySQL的查询流程1.查询缓存Server如果在查询缓存中发现了这条 SQL 语句就会直接将结果返回给客户端如果没有就进入到解析器阶段。需要说明的是因为查询缓存往往效率不高所以在MySQL8.0之后就抛弃了这个功能。大多数情况查询缓存就是个鸡肋为什么呢SELECT employee_id,last_name FROM employees WHERE employee_id 101; SELECT employee_id,last_name FROM employees WHERE employee_id 102;查询缓存是提前把查询结果缓存起来这样下次不需要执行就可以直接拿到结果。需要说明的是在 MySQL 中的查询缓存不是缓存查询计划而是查询对应的结果。这就意味着查询匹配的准确性大大降。相同的查询操作才会命中查询缓存。两个查询请求在任何字符上的不同例如空格、注释、大小写都会导致缓存不会命中。因此MySQL的 查询缓存命中率不高。同时如果查询请求中包含某些系统函数、用户自定义变量和函数、一些系统表如mysql、information_schema、performance_schema 数据库中的表那这个请求就不会被缓存。以某些系统函数 举例可能同样的函数的两次调用会产生不一样的结果比如函数 NOW 每次调用都会产生最新的当前 时间如果在一个查询请求中调用了这个函数那即使查询请求的文本信息都一样那不同时间的两次 查询也应该得到不同的结果如果在第一次查询时就缓存了那第二次查询的时候直接使用第一次查询 的结果就是错误的此外既然是缓存那就有它缓存失效的时候。MySQL的缓存系统会监测涉及到的每张表只要该表的 结构或者数据被修改如对该表使用了INSERT、UPDATE、DELETE、TRUNCATE TABLE、TABLE、 DROP TABLE或 ALTER DROP DATABASE 语句那使用该表的所有高速缓存查询都将变为无效并从高速缓存中删除对于更新压力大的数据库来说查询缓存的命中率会非常低。​总之查询缓存往往弊大于利一般建议大家在静态表里面使用查询缓存。什么是静态表呢就是一般我们很少更新的表比如系统配置表、字典表。这些表上的查询才适合查询缓存。2).解析器在解析器中对 SQL 语句进行语法分析、语义分析如果没有命中查询缓存就要开始真正执行sql语句了。首先MySQL需要知道你要做什么因此需要对SQL语句做解析SQL语句的解析分为词法解析和语法解析。1.分析器先做“ 词法分析”。你输入的是由多个字符串和空格组成的一条 SQL 语句MySQL 需要识别出里面 的字符串分别是什么代表什么。 MySQL 从你输入的select这个关键字识别出来这是一个查询语句。它也要把字符串“T”识别成“表名 T”把字符串“ID”识别成“列 ID”。select * from emp where id 1; #词法分析正确 select * form emp where id 1; # 词法分析不正确2.接着要做“ 语法分析”。根据词法分析的结果语法分析器比如Bison会根据语法规则判断你输 入的这个 SQL 语句是否满足 MySQL 语法。select department_id,job_id,avg(salary) from employees group by department_id; # 词法分析正确但是语法分析不正确会报错。如果SQL语句正确则会生成一个类似这样的语法树(3) 优化器在优化器中会确定SQL语句的执行路径比如是根据全表检索还是根据索引检索等。经过了解析器MySQL知道你要做什么了。在开始执行之前还要经过优化器的处理。一条SQL语句有很多种执行方式最后都返回相同的结果。优化器的作用就是找到结果的最好的执行计划。在查询优化器中可以分为 逻辑查询优化阶段和 物理查询优化阶段。逻辑查询优化就是通过改变SQL语句的内容使得SQL语句查询更为高效。通常采用的方式对SQL语句进行等价替换。比如嵌套子查询的写法我们可以使用多表连接的方式来实现因为多表连接比子查询更为高效。物理查询优化更多的是需要结合索引进行查询使用索引提供查询效率。4执行器截止到现在还没有真正去读写真实的表仅仅只是产出了一个执行计划。于是就进入了执行器阶段。在执行之前需要判断该用户是否具备权限。如果没有就会返回权限错误。如果具备权限就执行SQL查询并返回结果。在MySQL8.0 以下的版本如果设置了查询缓存这时会将查询结果进行缓存。select * from test where id1;比如表test中ID字段没有索引那么执行器的执行流程是这样的调用InnoDB引擎接口取这个表的第一行判断ID值是不是1如果不是则跳过如果是则将这行存在结果集中调用引擎接口取“下一行”重复相同的判断逻辑直到取到这个表的最后一行。执行器将上述遍历过程中所有满足条件的行组成的记录集作为结果集返回给客户端。至此这个语句就执行完成了。对于有索引的表执行的逻辑也差不多。SQL语句在MySQL中的流程是SQL语句→查询缓存→解析器→优化器→执行器。