MySQL是一个广泛使用的开源关系型数据库管理系统（RDBMS），它使用SQL（结构化查询语言）作为其主要的数据管理和操作语言。MySQL的设计采用客户端-服务器架构，其中客户端应用程序通过网络连接到MySQL服务器来执行各种数据库操作。

• 客户端：可以是任何支持MySQL协议的应用程序或工具，如MySQL命令行客户端、PHP脚本等。
• 服务器：运行MySQL服务的机器，负责处理来自客户端的所有请求。

MySQL的架构由多个层次和组件构成，主要包括连接层、核心服务层、存储引擎层和数据存储层。

连接层

MySQL的连接层（Connection Pool）主要负责建立客户端与服务器之间的TCP连接，并进行身份验证和权限获取。以下是连接层的主要组成和功能：

1. TCP连接建立
   • 三次握手：当客户端尝试连接MySQL服务器时，需通过TCP协议的三次握手过程来建立连接。
   • socket监听：MySQL服务器在启动后创建一个socket server，绑定到3306端口，并持续监听新的连接请求。
2. 身份验证和权限获取
   • 用户名和密码验证：一旦TCP连接建立成功，服务器会对传输过来的账号密码进行身份认证，确保只有合法用户可以访问数据库。
   • 权限分配：验证成功后，用户会被分配相应的权限，这些权限定义了用户能够执行的操作范围。
3. 线程池管理
   • 线程分配：每个成功建立的连接会从线程池中获取一个线程，省去了频繁创建和销毁线程的开销。
   • 资源复用：通过维护线程池，MySQL能高效地管理客户端连接对应的后台工作线程，提高并发处理能力。
4. 网络通信模型
   • Poll/Select模型：MySQL采用IO多路复用技术，使用Poll或Select模型来管理网络连接，特别是在连接数较少时，性能优异。
   • Max-connections设置：为防止过多的连接造成资源耗尽，MySQL通过max-connections参数限制最大连接数。

服务层

MySQL的服务层（MySQL Server）是其核心部分，负责处理SQL语句的解析、优化、缓存以及执行并返回结果。

SQL接口

SQL接口是服务层与客户端通信的前端部分。它接收来自客户端的SQL查询，这些查询可以是DDL（数据定义语言）、DML（数据操纵语言）、DCL（数据控制语言）或查询（SELECT）语句。

• 解析SQL语句：SQL接口解析客户端发送的SQL语句，并检查其语法是否正确。
• 处理客户端请求：根据SQL语句的类型，SQL接口确定如何处理请求，例如创建表、插入数据、更新数据或查询数据。

解析器

解析器是服务层中负责将SQL语句转换成解析树（Parse Tree）的组件。解析树的每个节点代表SQL语句的一个元素。

• 词法分析：将SQL语句分解成关键字、标识符、常量、操作符等元素。
• 语法分析：根据MySQL的语法规则，检查SQL语句的结构是否正确，并构建抽象语法树。

在解析过程中，还会验证客户端是否具有执行该语句的权限。

优化器

查询优化器是服务层中负责优化查询执行计划的组件。它分析解析器生成的解析树，并决定最有效的查询执行路径。

• 选择索引：确定使用哪些索引可以加快查询速度。
• 查询重写：优化器可能会重写查询，使其更加高效。
• 代价估算：根据存储引擎提供的统计信息，估计不同执行计划的成本（如I/O次数、CPU时间等），选择成本最低的计划。

缓存和缓冲区

服务层使用多种缓存和缓冲机制来提高性能。

在MySQL 8.0之前的版本中，服务层包含查询缓存组件，用于缓存SELECT语句的结果。

• 查询缓存（在MySQL 8.0之前）：存储SELECT查询的结果，如果相同的查询再次执行，可以直接从缓存中返回结果，而不需要重新执行查询。MySQL 8.0之后，查询缓存被移除。
• 表缓存：缓存表的定义，减少打开和关闭表的开销。
• 权限缓存：存储用户的权限信息，加快权限检查的速度。
• 数据缓冲：InnoDB存储引擎使用缓冲池（Buffer Pool）来缓存数据和索引，减少磁盘I/O。

执行器

执行器在MySQL中负责执行经过优化器优化后的SQL语句。

执行器通过与存储引擎交互，实现数据的查询、更新、删除等操作，并将最终结果返回给用户。

• 调用存储引擎接口：执行器根据优化器生成的执行计划，调用存储引擎接口进行数据操作。
• 返回结果：完成查询或更新操作后，将结果返回给客户端。

存储引擎层

存储引擎层（Pluggable Storage Engines）是MySQL数据库架构中的关键部分，它负责处理数据的存储、检索、更新和删除等操作。MySQL支持插件式的存储引擎，这使得每种引擎可以针对不同的应用场景进行优化。

常用的存储引擎有InnoDB引擎和MyISAM引擎。

InnoDB

InnoDB是MySQL默认的存储引擎，专为事务处理设计，支持崩溃恢复、行级锁定等多种功能。

逻辑存储结构

• 表空间（ibd文件）：每个MySQL实例可以有多个表空间，用于存储记录和索引等数据。
• 段：分为数据段、索引段和回滚段。数据段是B+树的叶子节点，索引段是B+树的非叶子节点。
• 区：是表空间的单元结构，每个区的大小为1MB，每个区包含64个连续的页。
• 页：是InnoDB存储引擎磁盘管理的最小单位，每页的默认大小为16KB。
• 行：数据按行存放，每次记录改动时，都会更新Trx_id和Roll_point隐藏列。

内存架构

• 缓冲池：主内存中的一个区域，用于缓存磁盘上经常操作的数据，以减少磁盘IO。缓冲池以页为单位，采用链表数据结构管理页，分为free page、clean page和dirty page三种类型。
• 更改缓冲区：针对非唯一二级索引页，减少磁盘IO。
• 自适应哈希索引：用于优化对Buffer Pool数据的查询，自动建立哈希索引。
• 日志缓冲区：保存要写入磁盘的log日志数据（redo log、undo log），默认大小为16MB。

磁盘结构

• 系统表空间：包含更改缓冲区的存储区域，可能包含表和索引数据。
• 独立表空间：每个表的文件表空间包含单个InnoDB表的数据和索引。
• 通用表空间：通过CREATE TABLESPACE语法创建，可用于多个表。
• 撤销表空间：用于储存undo log日志，初始化时会创建两个默认的undo表空间。
• 临时表空间：用于存储用户创建的临时表等数据。
• 双写缓冲区：在刷新数据页到磁盘前，先将数据页写入双写缓冲区文件中，便于系统异常时恢复数据。
• 重做日志：用于实现事务持久性，由重做日志缓冲和重做日志文件组成。

后台线程

• Master Thread：核心后台线程，负责调度其他线程，并保持数据一致性。
• IO Thread：处理IO请求，提升数据库性能。包括读线程、写线程、插入缓冲线程和日志线程。
• Purge Thread：回收已经提交了的undo log。
• Page Cleaner Thread：协助Master Thread将脏页刷新到磁盘，减轻其工作负担。

文件组成

InnoDB是MySQL数据库中一个非常重要的存储引擎，它由多个文件组成，主要包括以下几类：

1. 系统表空间文件（System Tablespace）：
   • ibdata1：这是默认的系统表空间文件，包含了InnoDB数据字典、双写缓冲区（doublewrite buffer）、更改缓冲区（change buffer）以及undo日志等信息。如果启用了多个表空间，可能会有ibdata2、ibdata3等文件。
2. 独立表空间文件（File-Per-Table Tablespaces）：
   • *.ibd：每个InnoDB表可以有一个独立的表空间文件，通常以表名结尾的.ibd文件形式存在。这些文件包含了表的数据和索引。
3. 重做日志文件（Redo Log Files）：
   • ib_logfile0 和 ib_logfile1：这些是InnoDB的重做日志文件，用于崩溃恢复。通常会有两个文件，它们以循环方式写入。
4. 撤销日志文件（Undo Log Files）：
   • 如果 undo 表空间是独立的（不存储在系统表空间中），则可能会有undo001、undo002等文件。
5. 事务日志文件（Transaction Log Files）：
   • 在一些配置下，InnoDB可以配置为将事务日志（redo log）写入到系统日志文件系统，而不是传统的ib_logfile。
6. 表定义文件（Table Definition Files）：
   • *.frm：这是表结构定义文件，它记录了表的结构信息，但自MySQL 5.6.17之后，表结构信息被存储在系统表空间或独立表空间文件中，.frm文件的重要性降低了。
7. 通用日志文件（General Log File）和慢查询日志文件（Slow Query Log File）（如果启用）：
   • 这些日志文件虽然不是InnoDB引擎的一部分，但它们对于追踪数据库操作和性能调优非常有用。
8. 其他可能的文件：
   • ib_buffer_pool：从MySQL 5.7开始，InnoDB支持将缓冲池（buffer pool）的内容保存到一个文件中，以便在服务器重启后快速恢复。

索引结构

B+树索引

InnoDB使用B+树作为索引结构。B+树是一种自平衡的树，它维持数据的有序性，并允许在对数时间内进行搜索、顺序访问、插入和删除操作。

• 根节点和内部节点：这些节点包含多个键值和指向子节点的指针。它们不存储数据，只用于导航。
• 叶节点：叶节点包含所有的键值和对应的数据行或数据行的主键值。叶节点之间通过双向链表连接，便于全索引扫描。

聚簇索引

InnoDB中的聚簇索引（Clustered Index）是指数据行的物理顺序与索引顺序相同。每个表通常只有一个聚簇索引。

• 主键索引：如果表有主键，则InnoDB会自动使用主键创建聚簇索引。
• 数据行存储：数据行直接存储在聚簇索引的叶节点中。
• 非主键索引：非主键索引（二级索引）包含主键值作为指向数据行的指针。

二级索引

除了聚簇索引外，表可以拥有多个二级索引（Secondary Index）。

• 包含索引列：二级索引的叶节点包含索引列的值和对应的主键值。
• 额外存储空间：每个二级索引都需要额外的存储空间。
• 多列索引：可以基于表中的多个列创建复合索引。

最左前缀原则

最左前缀原则（Leftmost Prefix Principle）是指在复合索引中，查询条件必须使用索引的第一个列，并且如果索引由多个列组成，那么查询条件中的列必须按照索引定义的顺序出现。

复合索引的结构

复合索引在B+树中的存储方式是将索引列的值组合成一个键值。例如，假设有一个复合索引(a, b, c)，则索引中的键值看起来可能是这样的：

(a1, b1, c1), (a1, b2, c2), (a2, b1, c1), ...

索引查找过程

当执行查询时，MySQL会使用索引的最左列来定位到B+树中的正确位置。例如，对于查询WHERE a = X AND b = Y，MySQL会首先查找所有a = X的记录，然后在其中查找b = Y的记录。

为什么是最左前缀

• 索引有序性：由于索引是按照定义的顺序有序存储的，所以只有按照这个顺序来查找，才能保证索引的有效使用。
• 无法跳过前缀列：如果查询条件跳过了复合索引中的某个前缀列，那么MySQL无法利用索引来快速定位到后续列的值。例如，查询WHERE b = Y将无法使用(a, b, c)索引，因为它跳过了列a。

MyISAM

MyISAM 是 MySQL 中的一个早期存储引擎，它在 MySQL 5.5 及以前版本中被广泛使用。虽然从 MySQL 5.5 开始，InnoDB 成为了默认的存储引擎，但 MyISAM 仍然可以在一些特定场景下使用。

特点

• 非事务性：MyISAM 不支持事务，这意味着它不能提供原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）的保证。如果系统崩溃或断电，可能会丢失数据。
• 表级锁定：当一个查询开始执行时，MyISAM 会对整个表加锁，直到查询完成，不支持行锁。这意味着在执行读取或写入操作时，其他查询必须等待当前操作完成。
• 全文索引支持：MyISAM 支持全文索引，这对于搜索引擎和其他需要全文搜索功能的应用非常有用。
• 压缩选项：MyISAM 表可以通过使用 COMPRESSED 存储选项来压缩，以节省磁盘空间。压缩后的表只能用于 SELECT 查询，因为插入、更新或删除操作会破坏压缩结构。
• 快速读取性能：由于 MyISAM 使用表级锁定和简单的锁定策略，它非常适合大量只读操作的场景。
• 固定大小的行：MyISAM 表中的每一行都有固定的大小，这有助于提高读取性能。
• 支持延迟写入：MyISAM 支持 DELAY_KEY_WRITE 选项，允许延迟索引写入，从而提高写入性能。

索引

• B-Tree 索引：MyISAM 使用 B-Tree 作为主要的索引结构，这是最常见的索引类型。
• 哈希索引：除了 B-Tree 索引之外，MyISAM 还支持哈希索引，但仅限于全文索引和某些非唯一键。
• 空间索引：尽管不是 MyISAM 的强项，但它也可以支持空间索引（R-Tree），不过这个特性在 MyISAM 中并不常用。

文件结构

• 数据文件：每个 MyISAM 表都有一个 .MYD（MyISAM Data）文件，用于存储表的数据。
• 索引文件：每个表都有一个 .MYI（MyISAM Index）文件，用于存储索引信息。
• 表定义文件：每个表还有一个 .frm 文件，用于存储表的定义信息。

使用场景

• 数据仓库：MyISAM 适用于数据仓库应用，特别是当数据经常被读取而不是更新的情况下。
• 日志文件：由于其简单的结构和良好的读取性能，MyISAM 也常用于日志记录。
• 静态数据：对于那些数据不经常改变的应用程序，MyISAM 提供了很好的性能。

系统文件层

MySQL的系统文件层（Files and Logs）主要包括存储数据的底层文件，并与上层的存储引擎进行交互，同时也包括文件级别的备份和恢复功能，是文件的物理存储层。

在MySQL的体系架构中，系统文件层位于最下层，直接与操作系统的文件系统进行交互。这一层主要包括日志文件、数据文件、配置文件以及MySQL的相关进程文件，如pid文件和socket文件等。这些文件确保了MySQL数据的持久化和系统的稳定运行。

文件类型

在系统文件层中，MySQL使用多种类型的文件来存储数据和管理数据库：

表结构文件（.frm）

• 存储表的结构定义，包括字段、索引和属性等信息。
• 每个表都有一个对应的.frm文件。

数据文件

• 存储表中的实际数据。
• 不同存储引擎有不同的数据文件格式：
  • InnoDB：使用表空间（Tablespaces）来存储数据，通常包括一个或多个.ibd文件（独立表空间）或.ibdata文件（共享表空间）。
  • MyISAM：数据文件通常以.MYD（MYData）为扩展名。

索引文件

• 存储表的索引数据。
• 不同存储引擎有不同的索引文件格式：
  • InnoDB：索引数据通常存储在.ibd文件中，与数据文件相同。
  • MyISAM：索引文件通常以.MYI（MYIndex）为扩展名。

日志文件

• 记录数据库的操作和状态信息，用于故障恢复和数据复制。
  • 错误日志（error.log）：记录MySQL服务器的启动、运行和关闭过程中的错误信息。
  • 二进制日志（binlog）：记录所有更改数据的SQL语句，用于数据复制和恢复。
  • 慢查询日志（slow_query.log）：记录执行时间超过指定阈值的查询。
  • 事务日志（InnoDB的redo日志）：记录事务操作，用于崩溃恢复。

配置文件

• 存储MySQL服务器的配置设置，如my.cnf或my.ini。

其他文件

• 如临时文件、状态文件、套接字文件等。