印刻数据库

外观

MariaDB 逻辑架构 ​

架构概述 ​

MariaDB采用分层的逻辑架构设计，将数据库系统分为多个相互独立但协同工作的组件。这种设计使得MariaDB具有良好的模块化特性，便于扩展和维护。MariaDB的逻辑架构主要分为以下几个层次：

  1. 连接层：处理客户端连接和认证
  2. 服务层：执行核心数据库功能
  3. 存储引擎层：负责数据存储和检索
  4. 存储层：管理物理数据存储

核心组件 ​

连接层 ​

连接层是MariaDB与客户端应用程序之间的接口，负责处理客户端连接请求、认证和连接管理。

主要组件 ​

  1. 连接管理器：

    • 接受客户端连接请求
    • 验证客户端身份（用户名、密码、IP地址等）
    • 管理连接池（如果启用）
    • 处理连接超时和断开连接

  2. 线程管理器：

    • 为每个客户端连接分配线程
    • 管理线程池（如果启用）
    • 优化线程使用，减少线程创建和销毁的开销
    • 支持线程优先级管理

  3. 认证插件：

    • 支持多种认证方式（密码认证、SSL证书认证、LDAP认证等）
    • 可扩展的认证框架，允许自定义认证插件
    • 支持双因素认证

连接处理流程 ​

  1. 客户端向MariaDB服务器发送连接请求
  2. 连接管理器接受请求，创建新连接
  3. 认证插件验证客户端身份
  4. 认证成功后，线程管理器为连接分配线程
  5. 客户端可以开始执行SQL语句
  6. 执行完成后，连接保持打开状态，等待下一个请求
  7. 客户端发送断开连接请求，或连接超时自动断开

服务层 ​

服务层是MariaDB的核心，负责执行SQL语句、管理事务、处理查询优化等核心数据库功能。

主要组件 ​

  1. SQL接口：

    • 接受客户端发送的SQL语句
    • 支持多种SQL方言（ANSI SQL、MySQL方言、MariaDB扩展等）
    • 处理SQL语句的解析和语法检查

  2. 查询解析器：

    • 将SQL语句解析为内部数据结构（解析树）
    • 进行语法和语义检查
    • 验证表和列是否存在
    • 检查用户权限

  3. 查询优化器：

    • 分析解析树，生成多种执行计划
    • 评估每个执行计划的成本
    • 选择最优执行计划
    • 支持基于规则的优化和基于成本的优化
    • 支持查询重写和优化

  4. 查询执行器：

    • 执行优化后的执行计划
    • 调用存储引擎API执行数据操作
    • 处理结果集，返回给客户端

  5. 事务管理器：

    • 管理事务的开始、提交和回滚
    • 实现ACID特性
    • 处理事务隔离级别
    • 协调分布式事务

  6. 锁管理器：

    • 管理表锁和行锁
    • 处理锁等待和死锁检测
    • 支持多种锁类型（共享锁、排他锁、意向锁等）

  7. 缓存管理：

    • 查询缓存（已废弃，但仍可配置）
    • 表定义缓存
    • 存储过程缓存
    • 预编译语句缓存

  8. 日志管理器：

    • 管理各种日志（错误日志、慢查询日志、二进制日志等）
    • 记录数据库活动和错误信息
    • 支持日志轮换和归档

查询处理流程 ​

  1. 客户端发送SQL查询到服务层
  2. SQL接口接收查询
  3. 查询解析器解析SQL，生成解析树
  4. 查询优化器生成最优执行计划
  5. 查询执行器执行执行计划
  6. 调用存储引擎API执行数据操作
  7. 事务管理器处理事务逻辑
  8. 锁管理器处理锁操作
  9. 结果集返回给客户端

存储引擎层 ​

存储引擎层负责数据的实际存储和检索，是MariaDB架构中最具特色的部分。MariaDB支持多种存储引擎，每种引擎都有其特定的优化和适用场景。

主要存储引擎 ​

  1. InnoDB：

    • 事务型存储引擎，支持ACID特性
    • 行级锁，适合高并发场景
    • 支持外键约束
    • 崩溃恢复能力强
    • MariaDB 10.2+的默认存储引擎

  2. Aria：

    • MariaDB特有的存储引擎
    • 替代MyISAM，提供更好的可靠性
    • 支持事务（可选）
    • 崩溃恢复能力强
    • 适合只读或读写比例较高的场景

  3. ColumnStore：

    • 列式存储引擎，适合数据分析和数据仓库
    • 支持PB级数据量
    • 分布式架构支持
    • 并行查询执行

  4. MyRocks：

    • 基于RocksDB的存储引擎
    • 优化写密集型工作负载
    • 更低的写放大
    • 更好的空间利用率

  5. Spider：

    • 分布式存储引擎，支持数据分片
    • 水平分片
    • 分布式查询执行
    • 跨节点事务支持

  6. Memory：

    • 内存存储引擎，数据存储在内存中
    • 速度快，但数据易失
    • 适合临时表和缓存

  7. CSV：

    • 基于CSV格式的存储引擎
    • 适合数据导入导出
    • 不支持索引和事务

存储引擎API ​

MariaDB通过统一的存储引擎API与不同的存储引擎交互，这种设计使得存储引擎可以独立开发和升级，而不需要修改核心代码。存储引擎API提供了以下主要功能：

  • 数据读写操作
  • 索引管理
  • 事务支持
  • 锁管理
  • 崩溃恢复
  • 统计信息收集

存储层 ​

存储层负责管理物理数据存储，包括数据文件、日志文件和其他系统文件。

主要文件类型 ​

  1. 数据文件：

    • 表数据文件（如InnoDB的.ibd文件）
    • 索引文件（通常与数据文件合并存储）
    • 系统表空间文件

  2. 日志文件：

    • 二进制日志（binlog）：记录所有数据修改操作
    • 重做日志（redo log）：用于崩溃恢复
    • 回滚日志（undo log）：用于事务回滚
    • 错误日志：记录数据库错误信息
    • 慢查询日志：记录执行时间超过阈值的查询
    • 通用查询日志：记录所有查询

  3. 配置文件：

    • my.cnf或my.ini：主配置文件
    • 其他配置文件（如server.cnf）

查询处理流程详解 ​

1. 连接建立 ​

客户端通过TCP/IP、Unix套接字或命名管道连接到MariaDB服务器。连接管理器接受连接请求，进行认证，然后分配线程。

2. SQL解析 ​

SQL接口接收客户端发送的SQL语句，查询解析器将其解析为解析树，进行语法和语义检查。

3. 查询优化 ​

查询优化器分析解析树，考虑以下因素生成最优执行计划：

  • 表的大小和行数
  • 索引的存在和选择性
  • 数据分布统计信息
  • 查询的复杂度
  • 系统资源状况

4. 查询执行 ​

查询执行器执行优化后的执行计划，调用存储引擎API执行数据操作：

  • 读操作：根据执行计划，定位数据位置，读取数据
  • 写操作：生成修改日志，更新内存中的数据，然后异步刷新到磁盘

5. 事务处理 ​

如果是事务性操作，事务管理器会：

  • 开始事务
  • 记录事务日志
  • 协调多个存储引擎的事务
  • 处理事务提交或回滚

6. 结果返回 ​

查询结果集被返回给客户端，连接保持打开状态，等待下一个请求。

事务管理 ​

ACID特性 ​

MariaDB支持事务的ACID特性：

  • 原子性（Atomicity）：事务要么全部完成，要么全部失败
  • 一致性（Consistency）：事务执行前后，数据库状态保持一致
  • 隔离性（Isolation）：多个事务并发执行时，互不影响
  • 持久性（Durability）：事务提交后，数据永久保存

事务隔离级别 ​

MariaDB支持四种事务隔离级别：

  1. READ UNCOMMITTED：允许读取未提交的数据，可能导致脏读
  2. READ COMMITTED：只能读取已提交的数据，避免脏读
  3. REPEATABLE READ：同一事务中多次读取同一数据，结果一致，避免不可重复读
  4. SERIALIZABLE：最高隔离级别，完全串行化执行，避免幻读

默认隔离级别为REPEATABLE READ。

锁机制 ​

锁类型 ​

MariaDB支持多种锁类型：

  • 共享锁（S锁）：允许读取数据，多个事务可以同时持有
  • 排他锁（X锁）：允许修改数据，同一时间只能有一个事务持有
  • 意向锁：表示事务打算对表施加某种锁
  • 行锁：锁定单行数据，粒度小，并发度高
  • 表锁：锁定整个表，粒度大，并发度低
  • 页锁：锁定数据页，介于行锁和表锁之间

死锁处理 ​

MariaDB会自动检测死锁，并选择一个事务进行回滚，以解除死锁。

常见问题 ​

MariaDB的逻辑架构与MySQL有什么区别？ ​

MariaDB的逻辑架构与MySQL非常相似，主要区别在于：

  • MariaDB增加了更多的存储引擎选择
  • MariaDB改进了线程池实现
  • MariaDB增强了查询优化器
  • MariaDB添加了更多的管理和监控功能

如何优化MariaDB的查询性能？ ​

  1. 合理设计索引，选择合适的索引类型
  2. 优化查询语句，避免复杂的JOIN和子查询
  3. 调整查询优化器参数
  4. 启用查询缓存（适用于读多写少场景）
  5. 优化存储引擎配置
  6. 监控慢查询并进行优化

如何选择合适的存储引擎？ ​

  • OLTP应用：优先选择InnoDB
  • 读多写少：考虑Aria
  • 数据分析或数据仓库：使用ColumnStore
  • 写密集型应用：考虑MyRocks
  • 分布式场景：使用Spider
  • 临时表或缓存：Memory

MariaDB支持哪些连接方式？ ​

MariaDB支持多种连接方式：

  • TCP/IP连接：适用于远程连接
  • Unix套接字：适用于本地连接（Linux/Unix系统）
  • 命名管道：适用于本地连接（Windows系统）
  • 共享内存：适用于本地连接（Windows系统）

如何监控MariaDB的连接状态？ ​

使用以下命令监控连接状态：

sql
-- 查看当前连接数
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Threads%';

-- 查看连接详细信息
SHOW PROCESSLIST;

-- 查看连接统计
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Connections';

最佳实践 ​

  1. 合理设计数据库架构：

    • 遵循第三范式
    • 合理拆分表，避免过大的表
    • 选择合适的存储引擎

  2. 优化查询性能：

    • 为经常查询的列创建索引
    • 避免SELECT *，只查询需要的列
    • 优化JOIN操作，确保连接列有索引
    • 避免在WHERE子句中使用函数

  3. 优化连接管理：

    • 启用线程池
    • 使用连接池管理客户端连接
    • 设置合理的连接超时时间
    • 定期清理空闲连接

  4. 优化事务管理：

    • 保持事务短小，避免长事务
    • 合理设置事务隔离级别
    • 避免在事务中执行大量的SELECT操作
    • 及时提交或回滚事务

  5. 监控和调优：

    • 监控查询性能和慢查询
    • 定期分析系统状态和日志
    • 根据实际情况调整配置参数
    • 定期优化表和重建索引

结论 ​

MariaDB的逻辑架构设计清晰，模块化程度高，便于扩展和维护。了解MariaDB的逻辑架构对于DBA进行性能优化、故障排查和架构设计至关重要。通过合理配置和优化各个组件，可以充分发挥MariaDB的性能优势，确保系统的高可用性和可靠性。