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01 | 基础架构:一条SQL查询语句是如何执行的?

February 20, 2019 • Read: 14270 • mysqlDBA阅读设置

一直以来对sql的使用都停留在会的这个层次,公司业务规模的扩大对基础服务要求是越来越高,拜读各路大神著作后决定重走dba之路。记录自己的学习理解和笔记。

平时我们使用数据库,看到的通常都是一个整体。比如,你有个最简单的表,表里只有一个 ID 字段,在执行下面这个查询语句时:

mysql> select * from T where ID=10;

我们看到的只是输入一条语句,返回一个结果,却不知道这条语句在 MySQL 内部的执行过程。

所以今天我想和你一起把 MySQL 拆解一下,看看里面都有哪些“零件”,希望借由这个拆解过程,让你对 MySQL 有更深入的理解。这样当我们碰到 MySQL 的一些异常或者问题时,就能够直戳本质,更为快速地定位并解决问题。

下面我给出的是 MySQL 的基本架构示意图,从中你可以清楚地看到 SQL 语句在 MySQL 的各个功能模块中的执行过程。
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大体来说,MySQL 可以分为 Server 层和存储引擎层两部分。

Server 层包括连接器、查询缓存、分析器、优化器、执行器等,涵盖 MySQL 的大多数核心服务功能,以及所有的内置函数(如日期、时间、数学和加密函数等),所有跨存储引擎的功能都在这一层实现,比如存储过程、触发器、视图等。

而存储引擎层负责数据的存储和提取。其架构模式是插件式的,支持 InnoDB、MyISAM、Memory 等多个存储引擎。现在最常用的存储引擎是 InnoDB,它从 MySQL 5.5.5 版本开始成为了默认存储引擎。

也就是说,你执行 create table 建表的时候,如果不指定引擎类型,默认使用的就是 InnoDB。不过,你也可以通过指定存储引擎的类型来选择别的引擎,比如在 create table 语句中使用 engine=memory, 来指定使用内存引擎创建表。不同存储引擎的表数据存取方式不同,支持的功能也不同,在后面的文章中,我们会讨论到引擎的选择。

从图中不难看出,不同的存储引擎共用一个Server 层,也就是从连接器到执行器的部分。你可以先对每个组件的名字有个印象,接下来我会结合开头提到的那条 SQL 语句,带你走一遍整个执行流程,依次看下每个组件的作用。

连接器

第一步,你会先连接到这个数据库上,这时候接待你的就是连接器。连接器负责跟客户端建立连接、获取权限、维持和管理连接。连接命令一般是这么写的:

mysql -h$ip -P$port -u$user -p 

输完命令之后,你就需要在交互对话里面输入密码。虽然密码也可以直接跟在 -p 后面写在命令行中,但这样可能会导致你的密码泄露。如果你连的是生产服务器,强烈建议你不要这么做。 连接命令中的 mysql 是客户端工具,用来跟服务端建立连接。在完成经典的 TCP 握手后,连接器就要开始认证你的身份,这个时候用的就是你输入的用户名和密码。

如果用户名或密码不对,你就会收到一个"Access denied for user"的错误,然后客户端程序结束执行。 如果用户名密码认证通过,连接器会到权限表里面查出你拥有的权限。之后,这个连接里面的权限判断逻辑,都将依赖于此时读到的权限。

这就意味着,一个用户成功建立连接后,即使你用管理员账号对这个用户的权限做了修改,也不会影响已经存在连接的权限。修改完成后,只有再新建的连接才会使用新的权限设置。

连接完成后,如果你没有后续的动作,这个连接就处于空闲状态,你可以在 show processlist 命令中看到它。文本中这个图是 show processlist 的结果,其中的 Command 列显示为“Sleep”的这一行,就表示现在系统里面有一个空闲连接。
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客户端如果太长时间没动静,连接器就会自动将它断开。这个时间是由参数 wait_timeout 控制的,默认值是 8 小时。

如果在连接被断开之后,客户端再次发送请求的话,就会收到一个错误提醒: Lost connection to MySQL server during query。这时候如果你要继续,就需要重连,然后再执行请求了。

数据库里面,长连接是指连接成功后,如果客户端持续有请求,则一直使用同一个连接。短连接则是指每次执行完很少的几次查询就断开连接,下次查询再重新建立一个。

建立连接的过程通常是比较复杂的,所以我建议你在使用中要尽量减少建立连接的动作,也就是尽量使用长连接。

但是全部使用长连接后,你可能会发现,有些时候 MySQL 占用内存涨得特别快,这是因为 MySQL 在执行过程中临时使用的内存是管理在连接对象里面的。这些资源会在连接断开的时候才释放。所以如果长连接累积下来,可能导致内存占用太大,被系统强行杀掉(OOM),从现象看就是 MySQL 异常重启了。

怎么解决这个问题呢?你可以考虑以下两种方案。

定期断开长连接。使用一段时间,或者程序里面判断执行过一个占用内存的大查询后,断开连接,之后要查询再重连。
如果你用的是 MySQL 5.7 或更新版本,可以在每次执行一个比较大的操作后,通过执行 mysql_reset_connection 来重新初始化连接资源。这个过程不需要重连和重新做权限验证,但是会将连接恢复到刚刚创建完时的状态。

查询缓存

连接建立完成后,你就可以执行 select 语句了。执行逻辑就会来到第二步:查询缓存。

MySQL 拿到一个查询请求后,会先到查询缓存看看,之前是不是执行过这条语句。之前执行过的语句及其结果可能会以 key-value 对的形式,被直接缓存在内存中。key 是查询的语句,value 是查询的结果。如果你的查询能够直接在这个缓存中找到 key,那么这个 value 就会被直接返回给客户端。

如果语句不在查询缓存中,就会继续后面的执行阶段。执行完成后,执行结果会被存入查询缓存中。你可以看到,如果查询命中缓存,MySQL 不需要执行后面的复杂操作,就可以直接返回结果,这个效率会很高。

但是大多数情况下我会建议你不要使用查询缓存,为什么呢?因为查询缓存往往弊大于利。
查询缓存的失效非常频繁,只要有对一个表的更新,这个表上所有的查询缓存都会被清空。因此很可能你费劲地把结果存起来,还没使用呢,就被一个更新全清空了。对于更新压力大的数据库来说,查询缓存的命中率会非常低。除非你的业务就是有一张静态表,很长时间才会更新一次。比如,一个系统配置表,那这张表上的查询才适合使用查询缓存。

好在 MySQL 也提供了这种“按需使用”的方式。你可以将参数 query_cache_type 设置成 DEMAND,这样对于默认的 SQL 语句都不使用查询缓存。而对于你确定要使用查询缓存的语句,可以用 SQL_CACHE 显式指定,像下面这个语句一样:

mysql> select SQL_CACHE * from T where ID=10;

需要注意的是,MySQL 8.0 版本直接将查询缓存的整块功能删掉了,也就是说 8.0 开始彻底没有这个功能了。

分析器

如果没有命中查询缓存,就要开始真正执行语句了。首先,MySQL 需要知道你要做什么,因此需要对 SQL 语句做解析。 分析器先会做“词法分析”。你输入的是由多个字符串和空格组成的一条 SQL 语句,MySQL 需要识别出里面的字符串分别是什么,代表什么。

MySQL 从你输入的"select"这个关键字识别出来,这是一个查询语句。它也要把字符串“T”识别成“表名 T”,把字符串“ID”识别成“列 ID”。

做完了这些识别以后,就要做“语法分析”。根据词法分析的结果,语法分析器会根据语法规则,判断你输入的这个 SQL 语句是否满足 MySQL 语法。

如果你的语句不对,就会收到“You have an error in your SQL syntax”的错误提醒,比如下面这个语句 select 少打了开头的字母“s”。

mysql> elect * from t where ID=1;   ERROR 1064 (42000): 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 'elect * from t where ID=1' at line 1 

一般语法错误会提示第一个出现错误的位置,所以你要关注的是紧接“use near”的内容。

优化器

经过了分析器,MySQL 就知道你要做什么了。在开始执行之前,还要先经过优化器的处理。

优化器是在表里面有多个索引的时候,决定使用哪个索引;或者在一个语句有多表关联(join)的时候,决定各个表的连接顺序。比如你执行下面这样的语句,这个语句是执行两个表的

join:  mysql> select * from t1 join t2 using(ID)  where t1.c=10 and t2.d=20;

既可以先从表 t1 里面取出 c=10 的记录的 ID 值,再根据 ID 值关联到表 t2,再判断 t2 里面 d 的值是否等于 20。

也可以先从表 t2 里面取出 d=20 的记录的 ID 值,再根据 ID 值关联到 t1,再判断 t1 里面 c 的值是否等于 10。

这两种执行方法的逻辑结果是一样的,但是执行的效率会有不同,而优化器的作用就是决定选择使用哪一个方案。

优化器阶段完成后,这个语句的执行方案就确定下来了,然后进入执行器阶段。如果你还有一些疑问,比如优化器是怎么选择索引的,有没有可能选择错等等,没关系,我会在后面的文章中单独展开说明优化器的内容。

执行器

MySQL 通过分析器知道了你要做什么,通过优化器知道了该怎么做,于是就进入了执行器阶段,开始执行语句。

开始执行的时候,要先判断一下你对这个表 T 有没有执行查询的权限,如果没有,就会返回没有权限的错误,如下所示 (在工程实现上,如果命中查询缓存,会在查询缓存返回结果的时候,做权限验证。查询也会在优化器之前调用 precheck 验证权限)。

mysql> select * from T where ID=10;   ERROR 1142 (42000): SELECT command denied to user 'b'@'localhost' for table 'T'

如果有权限,就打开表继续执行。打开表的时候,执行器就会根据表的引擎定义,去使用这个引擎提供的接口。

比如我们这个例子中的表 T 中,ID 字段没有索引,那么执行器的执行流程是这样的: 调用 InnoDB 引擎接口取这个表的第一行,判断 ID 值是不是 10,如果不是则跳过,如果是则将这行存在结果集中; 调用引擎接口取“下一行”,重复相同的判断逻辑,直到取到这个表的最后一行。

执行器将上述遍历过程中所有满足条件的行组成的记录集作为结果集返回给客户端。

至此,这个语句就执行完成了。

对于有索引的表,执行的逻辑也差不多。第一次调用的是“取满足条件的第一行”这个接口,之后循环取“满足条件的下一行”这个接口,这些接口都是引擎中已经定义好的。

你会在数据库的慢查询日志中看到一个 rows_examined 的字段,表示这个语句执行过程中扫描了多少行。这个值就是在执行器每次调用引擎获取数据行的时候累加的。

在有些场景下,执行器调用一次,在引擎内部则扫描了多行,因此引擎扫描行数跟 rows_examined 并不是完全相同的。

兼总条贯 知至知终

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已有 37 条评论
  1. 恺撒

    索引是针对表的么?还是字段?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @恺撒索引是建在字段(或多个字段)上的,属于表数据的一部分

  2. 晨思暮语

    想问下,如果同一条sql重复执行,也是每次都经过优化器阶段重新生成执行计划还是会重用之前的执行计划呢,谢谢!

    1. 茶褪色 茶褪色

      @晨思暮语MySQL 不会重用户,都得重新走一遍(这也是MySQL 优化器一直被吐槽的一个点

  3. lzjun

    “查询缓存的失效非常频繁,只要有对一个表的更新,这个表上所有的查询缓存都会被清空。”

    这里的更新是指对数据的更新还是表结构的更新

    1. 茶褪色 茶褪色

      @lzjun数据和表结构更新都会

  4. My dream

    我问一下!在mysql中的多字段模糊查询同一个值!怎么写的执行效率高?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @My dreamMySQL 支持全文检索(fulltext index)的,比顺序遍历快,不过相比于ES这样的系统,MySQL 的全文检索能力还是有待加强

  5. null

    课后思考题:
    分析器词法分析时报的错误。
    文章分析器的词法分析介绍有提到“从 SQL 语句中识别出里面的字符串分别是什么,代表什么。要识别出 select 关键字是查询语句,字符串 T 是表 T,字符串 ID 是列 ID”。
    因此是在分析器阶段报:Unknown column xxx。

    疑问 1
    MySQL 的逻辑架构图中,分析器左指向查询缓存,是执行器操作返回的结果原路返回给优化器,分析器,然后将结果保存到查询缓存里么?

    疑问 2.
    原文提到:
    rows_examined 表示这个语句执行过程中扫描了多少行。这个值就是在执行器每次调用引擎获取数据行的时候累加的。在有些场景下,执行器调用一次,在引擎内部则扫描了多行,因此引擎扫描行数跟 rows_examined 并不是完全相同的。

    rows_examined 是不是表示执行器共调用了多少次引擎接口?也可以认为是引擎接口返回行数的累计值(因为引擎接口每次只返回一行)?我这样理解对么?

    谢谢老师

    1. 茶褪色 茶褪色

      @null1. 是,还有更新语句失效缓存

      对的,而调用一次可能引擎内部访问了多行,就是这句话要表达的意思
  6. 深藏Blue

    说下个人对为什么是分析器的看法。
    连接器:门卫,想进请出示准入凭证(工牌、邀请证明一类)。“你好,你是普通员工,只能进入办公大厅,不能到高管区域”此为权限查询。
    分析器:“您需要在公司里面找一张头发是黑色的桌子?桌子没有头发啊!臣妾做不到”
    优化器:“要我在A B两个办公室找张三和李四啊?那我应该先去B办公室找李四,然后请李四帮我去A办公室找张三,因为B办公室比较近且李四知道张三具体工位在哪”
    执行器:“好了,找人的计划方案定了,开始行动吧,走你!糟糕,刚门卫大哥说了,我没有权限进B办公室”

  7. 大胖小子

    执行器执行阶段,对于有索引的表执行过程不知道我理解对不对。
    比如表T 字段id 是索引字段,name非索引字段,执行以下sql
    select * from T where id = 10 and name = "abc";
    执行过程我理解是这样的:调用“取满足条件的第一行"接口(这个满足条件就是id=10),
    引擎返回结果到server层,然后在mysql server层 判断name值是否相等,如果相等放在结果集 继续下次循环。

    1. 茶褪色 茶褪色

      @大胖小子对的

  8. 岛乾坤

    第一次调用的是“取满足条件的第一行”这个接口,之后循环取“满足条件的下一行”这个接口,这些接口都是引擎中已经定义好的。这里面的接口怎么理解,我们在数据库中说的接口是什么。概念,麻烦老师解答一,谢谢。

    1. 茶褪色 茶褪色

      @岛乾坤这里的接口是指“引擎定义好的函数调用方法”,
      只是这个定义不是乱定义的,
      MySQL是一个插件式的结构,要求每个引擎以固定的方式提供调用方法。

  9. ashine

    MySQL 拿到一个查询请求后,会先到查询缓存看看,之前是不是执行过这条语句。之前执行过的语句及其结果可能会以 key-value 对的形式,被直接缓存在内存中。key 是查询的语句,value 是查询的结果。如果你的查询能够直接在这个缓存中找到 key,那么这个 value 就会被直接返回给客户端。

    你好,是不是只要查询的数据表有更新,这个表所有查询缓存全失效?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @ashine

  10. jacket

    【对文章的疑问】
    老师好,文里遇到临时内存会跟随长连接的存在而存在,直到连接被销毁。
    我想问对是,这部分临时内存是由于什么产生?为什么不提前释放呢?mysql有用到内存池吗?

  11. 徐远

    最近开发人员说他们客户端连MySQL时,会有突然断开,然后又自动恢复的情况,我改了connection_timeout参数,但是今天听您介绍说到wait_timeout参数,我有点迷了,请教老师我的情况属于哪种呢

    1. 茶褪色 茶褪色

      @徐远Connect_timeout 指的是“连接过程中”的等待时间,

      wait_timeout指的是“连接完成后,使用过程中”的等待时间

  12. 400磅

    总结:
    客户端连接到服务端,获取到权限等信息, 然后在连接的有效时长内(interactive_timeout和wait_timeout参数控制, 5.7版本会断开可以自动重连)对sql进行处理。

    首先会判断查询缓存是否开启,如果已经开启,会判断sql是select还是update/insert/delete,对于select,尝试去查询缓存,如果命中缓存直接返回数据给客户端, 如果缓存没有命中,或者没有开启缓存, 会进入到下一步分析器。

    分析器进行语法分析、词法分析,检查sql的语法顺序等得到解析树, 然后预处理器对解析树进一步分析,验证数据表、字段是否存在,通关之后sql进入下一步优化器,所以课后问题一定是分析器阶段了。

    优化器对sql执行计划分析, 得到最终执行计划,得到优化后的执行计划之后交给执行器。

    执行器调用存储引擎api执行sql,得到响应结果, 将结果返回给客户端,如果缓存是开启状态, 会更新缓存。

    问题1:

    在缓存开启状态下, 要判别sql是select还是其他类型,保证只有select才去查询缓存,那么这个判断操作是何时进行的呢? 我猜测在查询缓存之前, 但是分析器也要对sql关键字进行分析,再分析一遍岂不是重复? 因为我没有看源码,所以这一块不明白, 如果我来设计的话, 可能是把查询缓存这个模块在分析器阶段来执行, 由分析器进行关键字解析,判断是何种sql语句,如果是select, 再去查询缓存, 如果不是继续往下进行好像更合理,看到大家都说先查询缓存,没有命中再去分析器, 感觉不太通。

    问题2:

    在mysql中通过“explain extended和show warnings”命令来查看的sql, 是不是优化器重写之后的sql? 以前我看到一本书中提到,也可能是一篇博客,mysql的单表的union查询其实会优化成or查询, 但是show warnings看到的还是union查询语句,所以有此疑问。

    问题3:

    update等sql清空缓存是在sql执行完返回结果给客户端之前还是之后, 还是说同时进行的, 会不会存在清空缓存失败, 但是告诉客户端update success, 缓存的地方一直不是很清楚, 所以正好 will be removed in a future releas, 真是一个大快人心。
    1. 茶褪色 茶褪色

      @400磅很好的总结。

      实际上肯定是要判断出是select语句, 但是之后的解析都没做哈。 要理解成“包含在内”也可以。Show wanings不会把重写后的显示出来,只是格式化后清空缓存失败这个不太可能,这个内部结构的操作没什么依赖
  13. pyhhou

    想请问一下老师,最后说的引擎扫描的行数和实际扫描的行数是不一样的,那引擎扫描的行数具体指的是什么?存储引擎只是负责存储和提取吗?那么不同的存储引擎大致有何区别呢?自己只是写过一些简单的SQL语句,从来没有接触过数据库底层,描述不到位的地方还请老师指正,谢谢老师

    1. 茶褪色 茶褪色

      @pyhhou引擎”扫描行数是指在引擎内部真正扫描的次数。这个问题我们会在后面文章《为什么我只查一行,也执行这么慢》中会详细说明。引擎对外的接口就主要是存、取数据,当然也会提供建表、锁这些接口的。 不同引擎的区别我们会在后面文章展开。你的问题都很好

  14. 茶褪色 茶褪色

    第一个问题:是的,这两个尽量设置成相同。值的话取决于业务。如果你面对的是成熟的开发(比如公司内部团队),可以设置小些,分钟级别就行。

    第二个问题:这两个都可以,不过用query_cache_type会好些(代码判断路径更短)

  15. lionetes

    wait_timeout 是客户端 非交互式的连接时间,如果程序连接mysql SERVER,是交互连接,关联的时间参数为interactive_timeout, 这两个时间参数需要尽量一致吗,一般设置多少合适?
    query_cache_size 参数虽然不用了,我想确认下,关闭情况是 query_cache_size=0 要匹配参数query_cache_type=off吗? 还是直接query_cache_size=0 即可?

  16. WL

    为该讲总结了几个问题, 大家复习的时候可以先尝试回答这些问题检查自己的掌握程度:

    1.

    MySQL的框架有几个组件, 各是什么作用?

    2.

    Server层和存储引擎层各是什么作用?

    3.

    you have an error in your SQL syntax 这个保存是在词法分析里还是在语法分析里报错?

    4.

    对于表的操作权限验证在哪里进行?

    5.

    执行器的执行查询语句的流程是什么样的?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @WL非常好

  17. zhxilin℃+

    优化器阶段。个人理解:
    1.编译原理告诉我们做一个Parser,核心有三步:词法分析、语法分析和语义分析;
    2.分析器负责词法分析和语法分析,即将查询分解成一个个Identifier(词法分析),构造一棵解析树,整棵树只确保没有语法错误(语法分析),比如检查标识符是否有效、语句是否闭合等;
    3.优化器紧接着分析上一步的解析树,这时才解决分析器阶段无法做的语义分析,也就是会检查表名、列表等是否正确、是否存在。
    所以此题我认为是优化器阶段。

    1. 茶褪色 茶褪色

      @zhxilin℃+最后是“等待新的请求”哈,其他部分很不错

  18. 尼古拉斯·赵

    我创建了一个没有select权限的用户,执行select * from T where k=1,报错“select command denied”,并没有报错“unknown column”,是不是可以说明是在打开表之后才判断读取的列不存在?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @尼古拉斯·赵这个是一个安全方面的考虑。你想想一个用户如果没有查看这个表的权限,你是会告诉他字段不对还是没权限?如果告诉他字段不对,其实给的信息太多了,因为没权限的意思还包含了:没权限知道字段是否存在

  19. yezhizi

    源码安装完MySQL之后,使用Debug模式启动
    mysqld --debug --console &后,
    mysql> create database wxb;
    Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

    mysql> use wxb;
    Database changed
    mysql> create table t(a int);
    Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

    mysql> select * from t where k=1;
    ERROR 1054 (42S22): Unknown column 'k' in 'where clause'

    T@4: | | | | | | | | | error: error: 1054 message: 'Unknown column 'k' in 'where clause''

    Complete optimizer trace:
    答案就很清楚了

    1. 茶褪色 茶褪色

      @yezhizi嗯嗯,Trace 日志是个好东西

  20. 有个问题不太明白,为什么对权限的检查不在优化器之前做?

    1. 茶褪色 茶褪色

      @郭有些时候,SQL语句要操作的表不只是SQL字面上那些。比如如果有个触发器,得在执行器阶段(过程中)才能确定。优化器阶段前是无能为力的

  21. 圈圈圆圆

    《高性能mysql》里提到解析器和预处理器。

    解析器处理语法和解析查询, 生成一课对应的解析树。

    预处理器进一步检查解析树的合法。比如: 数据表和数据列是否存在, 别名是否有歧义等。如果通过则生成新的解析树,再提交给优化器。

    所以我觉得课后习题的错误应该发生在在分析器处理阶段>_<