RDBMS是我們常見的一些存儲數(shù)據(jù)的倉庫，無論是做前端還是后端，都會接觸到。

我們常見的數(shù)據(jù)處理，都是通過sql來和數(shù)據(jù)庫做交互的，因此造成了許多人對數(shù)據(jù)庫認(rèn)知比較模糊，底層的架構(gòu)也不是很清晰，從本周開始，我們介紹些數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)知識，來了解數(shù)據(jù)庫引擎是如何工作的，以及如何設(shè)計更好的索引的方法論，歡迎一起探討。

一、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)

我們以mysql的架構(gòu)為例，進(jìn)行說明。

最上層用于連接、線程處理；第二層中包含了大多數(shù) 的核心服務(wù)，包括了對 SQL 的解析、分析、優(yōu)化和緩存等功能，存儲過程、觸發(fā)器和視圖都是在這里實現(xiàn)的；而第三層就是 真正負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和提取的存儲引擎，例如：InnoDB、MyISAM等，文中對存儲引擎的介紹都是對 InnoDB 實現(xiàn)的分析。

二、數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

在整個數(shù)據(jù)庫體系結(jié)構(gòu)中，我們可以使用不同的存儲引擎來存儲數(shù)據(jù)，而絕大多數(shù)存儲引擎都以二進(jìn)制的形式存儲數(shù)據(jù)。

在 InnoDB 存儲引擎中，所有的數(shù)據(jù)都被邏輯地存放在表空間中，表空間（tablespace）是存儲引擎中***的存儲邏輯單位，在表空間的下面又包括段（segment）、區(qū)（extent）、頁（page）：

同一個數(shù)據(jù)庫實例的所有表空間都有相同的頁大小；默認(rèn)情況下，表空間中的頁大小都為 16KB，當(dāng)然也可以通過改變 innodb_page_size 選項對默認(rèn)大小進(jìn)行修改，需要注意的是不同的頁大小最終也會導(dǎo)致區(qū)大小的不同：

從圖中可以看出，在 InnoDB 存儲引擎中，一個區(qū)的大小最小為 1MB，頁的數(shù)量最少為 64 個。

三、隨機(jī)讀取和順序讀取

在我們常用的sql理解中，數(shù)據(jù)是以行的形式讀取出來的，其實不然，通過上述的結(jié)構(gòu)，我們可以了解到，單次從磁盤讀取單位是頁，而不是行，也就是說，你即便只讀取一行記錄，從磁盤中也是會讀取一頁的，當(dāng)然了單頁讀取代價也是蠻高的，一般都會進(jìn)行預(yù)讀，這些后續(xù)再說。

1、數(shù)據(jù)的讀取路徑

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)最重要的一個目標(biāo)就是，確保表或者索引中的數(shù)據(jù)是隨時可以用的。那么為了盡可能的實現(xiàn)這個目標(biāo)，會使用內(nèi)存中的緩沖池來最小化磁盤活動。

每一個緩沖池都足夠大，大到可以存放許多頁，可能是成千上萬的頁。

緩沖池管理器將盡力確保經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)被保存于池中，以避免一些不必要的磁盤讀。如果一個索引或者表頁在緩沖池中被找到，那么將會處理很快。

如果在緩沖池中，沒有找到數(shù)據(jù)，會從磁盤服務(wù)器的緩沖區(qū)里面去讀取。

磁盤服務(wù)器的緩沖區(qū)，如同數(shù)據(jù)庫的緩沖池讀取一樣，磁盤服務(wù)器試圖將頻繁使用的數(shù)據(jù)保留在內(nèi)存中，以降低高昂的磁盤讀取成本。這個讀取成本大概會在1ms左右。

如果磁盤服務(wù)器的緩沖池中依然沒有找到數(shù)據(jù)，此時就必須要從磁盤讀取了，此時讀取又分區(qū)隨機(jī)讀取和順序讀取。

2、隨機(jī)I/O

我們必須記住一個頁包含了多條記錄，我們可能需要該頁上的所有行，也可能是其中一部分，或者是一行，但所花費的成本都是相同的，讀取一個頁，需要一次隨機(jī)I/O,大約需要10ms的時間。

時間組成：

我們可以看到，一次隨機(jī)IO需要耗時的時間還是很久的，10ms對計算機(jī)來說是一個很長的時間節(jié)點了。

3、順序讀取

如果我們需要將多個頁讀取到緩沖池中，并按順序處理它們，此時讀取的速度回變的很快，具體的原理，在B樹索引中也有過介紹，此時讀取每個頁面（4kb）所花費的時間大概為0.1ms左右，這個時間消耗對隨機(jī)IO有很大的優(yōu)勢。

以下幾種情況，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行順序讀取。

• 全表掃描
• 全索引掃描
• 索引片掃描
• 通過聚蔟索引掃描表行

順序讀取有兩個重要的優(yōu)勢：

1. 同時讀取多個頁意味著平均讀取每個頁的時間將會減少。在當(dāng)前磁盤服務(wù)器條件下，對于4kb大小的頁而言，這一值可能會低于0.1ms（40MB/s）
2. 由于數(shù)據(jù)庫引擎知道需要讀取哪些頁，所有可以在頁被真正請求之前就提前將其讀取進(jìn)來，我們稱為預(yù)讀。

四、聚集索引和輔助索引

數(shù)據(jù)庫中的 B+ 樹索引可以分為聚集索引（clustered index）和輔助索引（secondary index），它們之間的***區(qū)別就是，聚集索引中存放著一條行記錄的全部信息，而輔助索引中只包含索引列和一個用于查找對應(yīng)行記錄或者主鍵記錄的指針。

關(guān)于索引的B+樹結(jié)構(gòu)，網(wǎng)上有很多文章進(jìn)行分析了，我們就不在一一介紹。