面试题：MariaDB源代码中的关键模块分析

Question

在MariaDB源代码中，存储引擎是核心模块之一。请阐述你对InnoDB存储引擎在MariaDB源代码中的实现原理，包括数据存储结构、事务处理机制以及与其他模块的交互方式。

Answer 1

数据存储结构

1. 页结构
   • InnoDB以页（Page）为基本存储单位，默认页大小为16KB。页包含了不同类型的数据，如数据页、索引页等。数据页存储表数据，其内部结构包含文件头、页头、最大最小记录指针、空闲空间、记录等部分。
   • 文件头记录页的通用信息，如页号、上一页和下一页的页号等。页头存储与页相关的元数据，如记录数量、空闲空间偏移等。
2. B - Tree索引结构
   • InnoDB使用B - Tree来组织索引。聚簇索引（Clustered Index）将数据和索引存储在一起，叶子节点直接包含行数据。非聚簇索引（Secondary Index）叶子节点存储索引键值和指向聚簇索引的指针。
   • B - Tree的节点按照一定规则组织，通过比较索引键值来快速定位数据，提高查询效率。例如，在查找数据时，从根节点开始，根据索引键值与节点内键值比较，决定向下遍历的分支，直到找到叶子节点。

事务处理机制

1. 事务日志
   • InnoDB使用重做日志（Redo Log）和回滚日志（Undo Log）来实现事务的持久性（Durability）和原子性（Atomicity）。
   • 重做日志记录数据库物理层面的修改操作，在事务进行中不断写入。当系统崩溃后，可以通过重做日志恢复未完成的事务，保证已提交事务的持久性。
   • 回滚日志记录事务修改前的数据版本，用于在事务回滚时撤销修改，确保事务的原子性。同时，回滚日志还用于实现多版本并发控制（MVCC）。
2. 锁机制
   • InnoDB采用行级锁（Row - Level Locking）来提高并发性能。在事务操作数据时，会对相应的行加锁。锁分为共享锁（S锁）和排他锁（X锁）。
   • 共享锁允许多个事务同时读取数据，排他锁则只允许一个事务对数据进行修改，其他事务不能再获取共享锁或排他锁，直到排他锁释放。通过锁机制，InnoDB可以避免并发事务之间的数据冲突，保证事务的一致性（Consistency）。
3. MVCC（多版本并发控制）
   • MVCC是InnoDB实现高并发读的关键机制。它通过在每行数据中添加隐藏列（如创建版本号、删除版本号等）来实现。
   • 当事务读取数据时，根据事务的版本号和数据行的版本号来判断是否可以读取该数据。对于未提交事务修改的数据，其他事务不会看到其修改，从而实现读 - 写、写 - 读操作的并发执行，提高系统的并发性能。

与其他模块的交互方式

1. 与SQL层的交互
   • SQL层接收用户的SQL语句，进行词法、语法分析和语义检查后，生成执行计划。然后将执行计划传递给InnoDB存储引擎。
   • InnoDB根据执行计划执行相应的操作，如数据的查询、插入、更新、删除等，并将执行结果返回给SQL层。SQL层再将结果处理后返回给用户。
2. 与缓冲池（Buffer Pool）的交互
   • 缓冲池是InnoDB的内存缓存区域，用于缓存数据页和索引页。InnoDB从磁盘读取数据页时，先将其加载到缓冲池中，后续的读写操作优先在缓冲池中进行，以提高性能。
   • 当缓冲池空间不足时，InnoDB会根据一定的算法（如LRU算法）将不常用的页淘汰出缓冲池，写回磁盘。同时，事务对数据的修改也首先在缓冲池中进行，然后通过重做日志等机制确保数据的持久化。
3. 与日志模块的交互
   • InnoDB与日志模块紧密协作。如前所述，重做日志和回滚日志由InnoDB生成并写入日志文件。日志模块负责管理日志文件的大小、循环使用等操作。
   • 在事务提交时，InnoDB会将重做日志刷新到磁盘，确保已提交事务的持久性。同时，回滚日志在事务回滚或MVCC操作时被使用，日志模块也需要保证回滚日志的正确性和可用性。