MySQL讀取數據時發生了什麼？數據讀取過程分析[圖]

上一篇咱們說到B+樹拼接一己之力殺出重圍，最後成爲了InnoDB和MyISAM這兩種存儲引擎的索引實現。咱們都知道索引內心是有B+樹的，他知道本身不可能所有存儲在內存中，他通常是以「索引文件的形式存儲的磁盤上」。那麼MySQL讀取數據時都發生了什麼呢？這得從內存開始提及。
IRAM與ROM
ROM，Read-OnlyMemory：只讀儲存器，能夠理解爲電腦的硬盤上存放操做系統的軟件，手機的內置儲存上存放操做系統的軟件，單片機的Flash上存放操做系統的軟件。總之就是用來存儲操做系統的軟件。
RAM，Random-AccessMemory：隨機儲存器，能夠理解爲電腦的內存條。用於存放動態數據，也叫運行內存。系統運行的時候，須要把操做系統從ROM中讀取出來，放在RAM中運行。

CPU要運行程序須要從ROM調取，但ROM又有距離，因此須要用RAM來作一個鏈接。
I主存存儲原理
RAM主要的做用就是存儲代碼和數據供CPU在須要的時候調用，可是這些數據並非像用碗盛飯那麼簡單，咱們是須要知道數據的特定位置信息。他更像是圖書館中用有格子的書架存放書籍同樣，不但要放進去還要可以在須要的時候準確的調用出來，雖然都是書可是每本書是不一樣的。對於RAM等存儲器來講也是同樣的，雖然存儲的都是表明0和1的代碼，可是不一樣的組合就是不一樣的數據。
抽象地看，主存是一系列的存儲單元組成的矩陣，每一個存儲單元存儲固定大小的數據。每一個存儲單元有惟一的地址，現代主存的編址規則比較複雜，這裏將其簡化成一個二維地址：經過一個行地址和一個列地址能夠惟必定位到一個存儲單元。
I離主存讀寫工程
當系統須要讀取主存時，則將地址信號放到地址總線上傳給主存，主存讀到地址信號後，解析信號並定位到指定存儲單元，而後將此存儲單元數據放到數據總線上，供其它部件讀取。寫主存的過程相似，系統將要寫入單元地址和數據分別放在地址總線和數據總線上，主存讀取兩個總線的內容，作相應的寫操做。
因此，主存存取的時間僅與存取次數呈線性關係，由於不存在機械操做，兩次存取的數據的「距離」不會對時間有任何影響，例如，先取A0再取A3和先取B0再取C3的時間消耗是同樣的。
I磁盤的構成
若是咱們將硬盤拆開，能夠發現裏面存在多張磁盤和多個讀寫磁頭，加入一張磁盤有8張磁盤，就會有16個盤面和16個讀寫磁頭了，全部的盤面構成了磁盤組合。
磁盤組合由一個或多個圓盤組成，他們圍繞一根中心主軸旋轉，圓盤的上下表面塗抹了一層磁性材料，二進制位被存儲在這些磁性材料上。其中，0和1在磁材料中表現位不一樣的模式。
盤片被劃分紅一系列同心環，圓心是盤片中心，每一個同心環叫作一個「磁道」，全部半徑相同的磁道組成一個柱面。磁道被沿半徑線劃分紅一個個小的段，每一個段叫作一個「扇區」，每一個扇區是磁盤的最小存儲單元。爲了簡單起見，咱們下面假設磁盤只有一個盤片和一個磁頭。
I隨機讀取
通常來講，主存和磁盤以頁爲單位交換數據。在硬件及操做系統中，咱們每每將主存和磁盤存儲區分割爲連續的大小相等的塊。每一個存儲塊稱爲一頁（在許多操做系統中，頁的大小一般爲4k或者8k）。
I隨機讀取過程
在交換數據時，系統會將數據邏輯地址傳給磁盤，磁盤的控制電路按照尋址邏輯將邏輯地址翻譯成物理地址，即肯定要讀的數據在哪一個磁道，哪一個扇區。爲了讀取這個扇區的數據，須要將磁頭放到這個扇區上方。
I隨機讀取性能瓶頸
隨機讀取主要與性能瓶頸這三個指標有關：
1.磁頭須要移動對準相應磁道的時間即尋道時間
2.磁盤旋轉到指定磁道區域，即旋轉延遲
3.從磁盤讀出或將數據寫入磁盤的時間，即傳輸時間。
通常來講，主流磁盤尋道時間通常在5ms如下；旋轉延遲也就是轉速的通常(對於圓形來講，最多走一半就能到對應區域)，對於7200轉的磁盤，旋轉延遲應該在7200/3600/2=4.17ms。傳輸時間能夠忽略不計，因此一次磁盤IO耗時應該在9ms之內。書筆記做文網https://www.yuananren.com其實9ms的隨機讀取其實已是一個災難，好比一臺常規的500-MIPS的機器每秒能夠執行5億條指令，也就是說一次隨機讀取的時間，機器能夠執行5百萬條指令，這個量級對比是驚人的。並且，對於一個百萬級數據庫查詢的話，所花費的時間已經達到了9s，這個數據對於用戶來講實際上是一個難以容忍的數字了。
I局部性原理
考慮到隨機讀取是高昂的消耗這個客觀存在的事實，咱們計算機系統利用了局部性原理對磁盤進行順序讀取。
平常生活中，咱們都知道不少東西的分佈都不是平均的，咱們更常見的機率分佈實際上是正態分佈。一個很形象的例子就是，大學中常常曠課的同窗，他的朋友也會常常曠課，他們造成了一個曠課圈。
磁盤每每不是嚴格按需讀取，而是每次都會預讀，即便只須要一個字節，磁盤也會從這個位置開始，順序向後讀取必定長度的數據放入內存。因此當一個數據被用到時，其附近的數據也一般會立刻被使用。程序運行期間所須要的數據一般比較集中。這就是咱們的局部性原理。
I順序讀取
磁盤順序讀取不須要尋道時間，只需不多的旋轉時間。因此，咱們對於具備局部性的程序來講，預讀能夠提升I/O效率。
I順序讀取過程
當程序要讀取的數據不在主存中時，會觸發一個缺頁異常，此時系統會向磁盤發出讀盤信號，磁盤會找到數據的起始位置並向後連續讀取一頁或幾頁載入內存中，而後異常返回，程序繼續運行。也就是咱們讀取一頁內的數據時候，實際上才發生了一次IO。
若是咱們須要將多個頁讀取到緩衝池中，並按順序處理它們，此時讀取的速度變的很快，此時讀取每一個頁所花費的時間大概爲0.1ms左右，這個時間消耗對隨機IO有很大的優點。
I順序讀取的條件
全表掃描
全索引掃描
索引片掃描
經過聚簇索引掃描錶行
I離順序讀取的優點
節省開銷。讀取多頁意味着平均讀取每頁性能增長。
預讀。因爲數據庫引擎知道須要讀取哪些頁，全部能夠在頁被真正請求以前就提早將其讀取進來。
IMySQL數據讀取
MySQL數據的讀取並非簡單直接將內存與磁盤進行數據交換，而是使用緩衝池最小化磁盤活動。
每個緩衝池都足夠大，大到能夠存放許多頁，多是成千上萬的頁。內存緩衝池和磁盤緩衝池遵循局部性原理，盡力確保常用的數據被保存於池中，以免一些沒必要要的磁盤讀。
根據主存存儲原理，咱們能夠很快在緩衝池找到一個索引或者表頁。若是在緩衝池中，沒有找到數據，會從磁盤服務器的緩衝區裏面去讀取。磁盤緩存池讀取成本大概會在1ms左右。若是磁盤服務器的緩衝池中依然沒有找到數據，此時就必需要從磁盤讀取了。若是知足順序讀取的條件，那麼就會盡快地順序讀取。若是不知足，那麼就會可怕的隨機讀取。
I總結
本文主要闡述了MySQL數據讀取的流程。認識到由於本身的小任性，須要查詢一個值，MySQL這個暖男竟然鞍前馬後幹了這麼多事情。甚至開始心疼軟件工程師，軟件工程師們想盡各類辦法來作優化，性能提高倒是有限的。而硬件上的稍微有優化，性能提高倒是飛躍的。好比順序讀取1MB數據，機械硬盤是20ms，SSD只須要1ms。更改硬盤達到速度的提高可能讓福報程序員能夠掉更少的頭髮，得到更多的休息。