从Mysql架构看一条查询sql的执行过程

2023-10-26 19:28:34 浏览数 (1)

1. 通信协议

我们的程序或者工具要操作数据库，第一步要做什么事情？跟数据库建立连接。

首先，MySQL必须要运行一个服务，监听默认的3306端口。在我们开发系统跟第三方对接的时候，必须要弄清楚的有两件事。

  • 第一个就是通信协议，比如我们是用HTTP还是WebService还是TCP？
  • 第二个是消息格式，比如我们用XML格式，还是JSON格式，还是定长格式？报文头长度多少，包含什么内容，每个字段的详细含义。

MySQL是支持多种通信协议的，可以使用同步/异步的方式，支持长连接/短连接。我们分别来看:

同步通信

同步通信依: 赖于被调用方，受限于被调用方的性能。也就是说，应用操作数据库，线程会阻塞，等待数据库的返回。一般只能做到一对一，很难做到一对多的通信。

异步通信

异步可以避免应用阻塞等待，但是不能节省SQL执行的时间。

如果异步存在并发，每一个SQL的执行都要单独建立一个连接，避免数据混乱。但是这样会给服务端带来巨大的压力（一个连接就会创建一个线程，线程间切换会占用大量CPU资源）。另外异步通信还带来了编码的复杂度，所以一般不建议使用。如果要异步，必须使用连接池，排队从连接池获取连接而不是创建新连接。

长连接与短连接

MySQL既支持短连接，也支持长连接。短连接就是操作完毕以后，马上close掉。长连接可以保持打开，减少服务端创建和释放连接的消耗，后面的程序访问的时候还可以使用这个连接。一般我们会在连接池中使用长连接。

保持长连接会消耗内存。长时间不活动的连接，MySQL服务器会断开。

代码语言：javascript复制
showglobalvariableslike'wait_timeout';--非交互式超时时间，如JDBC程序
showglobalvariableslike'interactive_timeout';--交互式超时时间，如数据库工具

默认都是28800秒，8小时。

可以用showstatus命令：showglobalstatuslike'Thread%';

代码语言：javascript复制
Threads_cached：缓存中的线程连接数。
Threads_connected：当前打开的连接数。
Threads_created：为处理连接创建的线程数。
Threads_running：非睡眠状态的连接数，通常指并发连接数。

MySQL支持哪些通信协议呢？

UnixSocket

比如我们在Linux服务器上，如果没有指定-h参数，它就用socket方式登录（省略了-S/var/lib/mysql/mysql.sock）。

它不用通过网络协议，也可以连接到MySQL的服务器，它需要用到服务器上的一个物理文件（/var/lib/mysql/mysql.sock）。

代码语言：javascript复制
select @@socket;
TCP/IP 协议

我们的编程语言的连接模块都是用 TCP 协议连接到 MySQL 服务器的，比如 mysql-connector-java-x.x.xx.jar

2. 语法解析和预处理

为什么一条 SQL 语句能够被识别呢？假如我随便执行一个字符串 penyuyan，服务器报了一个 1064 的错, 它是怎么知道我输入的内容是错误的？

代码语言：javascript复制
[Err] 1064 - You have an error in your SQL syntax; check the manual that corresponds to your MySQL server version for the
right syntax to use near 'penyuyan' at line 1

这个就是 MySQL 的 Parser 解析器和 Preprocessor 预处理模块。这一步主要做的事情是对语句基于 SQL 语法进行词法和语法分析和语义的解析。

词法解析

词法分析就是把一个完整的 SQL 语句打碎成一个个的单词。比如一个简单的 SQL 语句：

代码语言：javascript复制
select name from user where id = 1;

它会打碎成 8 个符号，每个符号是什么类型，从哪里开始到哪里结束。

语法解析

语法分析会对 SQL 做一些语法检查，比如单引号有没有闭合，然后根据 MySQL 定义的语法规则，根据 SQL 语句生成一个数据结构。这个数据结构我 们把它叫做解析树（select_lex）。

任何数据库的中间件，比如Mycat，Sharding-JDBC（用到了DruidParser），都必须要有词法和语法分析功能，在市面上也有很多的开源的词法解析的工具（比如LEX,Yacc）.

预处理器

如果我写了一个词法和语法都正确的SQL，但是表名或者字段不存在，会在哪里报错？是在数据库的执行层还是解析器？比如：

代码语言：javascript复制
select * from xxx;

解析器可以分析语法，但是它怎么知道数据库里面有什么表，表里面有什么字段呢？实际上还是在解析的时候报错，解析SQL的环节里面有个预处理器。它会检查生成的解析树，解决解析器无法解析的语义。比如，它会检查表和列名是否存在，检查名字和别名，保证没有歧义。预处理之后得到一个新的解析树。

3.查询优化（QueryOptimizer）与查询执行计划

得到解析树之后，是不是执行SQL语句了呢？这里我们有一个问题，一条SQL语句是不是只有一种执行方式？或者说数据库最终执行的SQL是不是就是我们发送的SQL？

这个答案是否定的。一条SQL语句是可以有很多种执行方式的，最终返回相同的结果，他们是等价的。但是如果有这么多种执行方式，这些执行方式怎么得到的？最终选择哪一种去执行？根据什么判断标准去选择？

这个就是MySQL的查询优化器的模块（Optimizer）。查询优化器的目的就是根据解析树生成不同的执行计划（ExecutionPlan），然后选择一种最优的执行计划，MySQL里面使用的是基于开销（cost）的优化器，那种执行计划开销最小，就用哪种。

可以使用这个命令查看查询的开销：

代码语言：javascript复制
showstatus like 'Last_query_cost';

优化器可以做什么？

举两个简单的例子:

1、当我们对多张表进行关联查询的时候，以哪个表的数据作为基准表。2、有多个索引可以使用的时候，选择哪个索引。

实际上，对于每一种数据库来说，优化器的模块都是必不可少的，他们通过复杂的算法实现尽可能优化查询效率的目标。如果对于优化器的细节感兴趣，可以看看《数据库查询优化器的艺术-原理解析与SQL 性能优化》。

但是优化器也不是万能的，并不是再垃圾的SQL语句都能自动优化，也不是每次都能选择到最优的执行计划，大家在编写SQL语句的时候还是要注意。

优化器是怎么得到执行计划的?

首先我们要启用优化器的追踪（默认是关闭的）：

代码语言：javascript复制
SHOWVARIABLES LIKE 'optimizer_trace';
set optimizer_trace ='enabled=on';

注意开启这开关是会消耗性能的，因为它要把优化分析的结果写到表里面，所以不要轻易开启，或者查看完之后关闭它（改成off

接着我们执行一个SQL语句，优化器会生成执行计划：

代码语言：javascript复制
select t.tcid from teacher t, teacher_contact tc wheret.tcid=tc.tcid;

这个时候优化器分析的过程已经记录到系统表里面了，我们可以查询：

代码语言：javascript复制
select * from information_schema.optimizer_traceG

它是一个JSON类型的数据，主要分成三部分，准备阶段、优化阶段和执行阶段。

代码语言：javascript复制
expanded_query是优化后的SQL语句。
considered_execution_plans里面列出了所有的执行计划。

优化器得到的结果

优化器最终会把解析树变成一个查询执行计划，查询执行计划是一个数据结构。当然，这个执行计划是不是一定是最优的执行计划呢？不一定，因为MySQL也有可能覆盖不到所有的执行计划。

我们怎么查看MySQL的执行计划呢？比如多张表关联查询，先查询哪张表？在执行查询的时候可能用到哪些索引，实际上用到了什么索引？

MySQL提供了一个执行计划的工具。我们在SQL语句前面加上EXPLAIN，就可以看到执行计划的信息。

代码语言：javascript复制
EXPLAIN select name from user where id=1;

*注意Explain的结果也不一定最终执行的方式。

4.存储引擎

得到执行计划以后，SQL语句是不是终于可以执行了？问题又来了：

代码语言：javascript复制
1、从逻辑的角度来说，我们的数据是放在哪里的，或者说放在一个什么结构里面？
2、执行计划在哪里执行？是谁去执行？

存储引擎基本介绍

我们先回答第一个问题：在关系型数据库里面，数据是放在什么结构里面的？

放在表Table里面的 我们可以把这个表理解成Excel电子表格的形式。所以我们的表在存储数据的同时，还要组织数据的存储结构，这个存储结构就是由我们的存储引擎决定的，所以我们也可以把存储引擎叫做表类型。

查看存储引擎

比如我们数据库里面已经存在的表，我们怎么查看它们的存储引擎呢？

代码语言：javascript复制
show table status from `xxx`;

在MySQL里面，我们创建的每一张表都可以指定它的存储引擎，而不是一个数据库只能使用一个存储引擎。存储引擎的使用是以表为单位的。而且，创建表之后还可以修改存储引擎。

我们说一张表使用的存储引擎决定我们存储数据的结构，那在服务器上它们是怎么存储的呢？我们先要找到数据库存放数据的路径：

代码语言：javascript复制
showvariableslike'datadir';

默认情况下，每个数据库有一个自己文件夹，任何一个存储引擎都有一个frm文件，这个是表结构定义文件。

不同的存储引擎存放数据的方式不一样，产生的文件也不一样，innodb是1个，memory没有，myisam是两个。

这些存储引擎的差别在哪呢？

存储引擎比较

MyISAM和InnoDB是我们用得最多的两个存储引擎，在MySQL5.5版本之前，默认的存储引擎是MyISAM，它是MySQL自带的。我们创建表的时候不指定存储引擎，它就会使用MyISAM作为存储引擎.

MyISAM的前身是ISAM（IndexedSequentialAccessMethod：利用索引，顺序存取数据的方法）.

5.5版本之后默认的存储引擎改成了InnoDB，它是第三方公司为MySQL开发的。为什么要改呢？最主要的原因还是InnoDB支持事务，支持行级别的锁，对于业务一致性要求高的场景来说更适合。

MyISAM

应用范围比较小。表级锁定限制了读/写的性能，因此在Web和数据仓库配置中，它通常用于只读或以读为主的工作。特点：

  • 支持表级别的锁（插入和更新会锁表）。不支持事务。
  • 拥有较高的插入（insert）和查询（select）速度。
  • 存储了表的行数（count速度更快）。
InnoDB

mysql5.7中的默认存储引擎。InnoDB是一个事务安全（与ACID兼容）的MySQL 存储引擎，它具有提交、回滚和崩溃恢复功能来保护用户数据。InnoDB行级锁（不升级为更粗粒度的锁）和Oracle风格的一致非锁读提高了多用户并发性和性能。InnoDB将用户数据存储在聚集索引中，以减少基于主键的常见查询的I/O。为了保持数据完整性, InnoDB还支持外键引用完整性约束。特点:

  • 支持事务，支持外键，因此数据的完整性、一致性更高。
  • 支持行级别的锁和表级别的锁。
  • 支持读写并发，写不阻塞读（MVCC）。
  • 特殊的索引存放方式，可以减少IO，提升查询效率。
  • 适合：经常更新的表，存在并发读写或者有事务处理的业务系统.
Memory

将所有数据存储在RAM中，以便在需要快速查找非关键数据的环境中快速访问。这个引擎以前被称为堆引擎。其使用案例正在减少；InnoDB及其缓冲池内存区域提供了一种通用、持久的方法来将大部分或所有数据保存在内存中，而ndbcluster为大型分布式数据集提供了快速的键值查找。特点:

  • 把数据放在内存里面，读写的速度很快，但是数据库重启或者崩溃，数据会全部消失。只适合做临时表。
CSV

它的表实际上是带有逗号分隔值的文本文件。csv表允许以csv格式导入或转储数据，以便与读写相同格式的脚本和应用程序交换数据。因为csv表没有索引，所以通常在正常操作期间将数据保存在innodb表中，并且只在导入或导出阶段使用csv表。特点: 特点：不允许空行，不支持索引。格式通用，可以直接编辑，适合在不同数据库之间导入导出。

Archive

这些紧凑的未索引的表用于存储和检索大量很少引用的历史、存档或安全审计信息。特点：

  • 不支持索引，不支持updatedelete。

如何选择存储引擎？

  • 如果对数据一致性要求比较高，需要事务支持，可以选择InnoDB。
  • 如果数据查询多更新少，对查询性能要求比较高，可以选择MyISAM。
  • 如果需要一个用于查询的临时表，可以选择Memory。

5. 执行引擎

存储引擎分析完了，它是我们存储数据的形式，继续第二个问题，是谁使用执行计划去操作存储引擎呢？

这就是我们的执行引擎，它利用存储引擎提供的相应的API来完成操作。

为什么我们修改了表的存储引擎，操作方式不需要做任何改变？因为不同功能的存储引擎实现的API是相同的。

最后把数据返回给客户端，即使没有结果也要返回。

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