MySQL 中的元数据管理
launched in 2023.4.21, 浙江
最近总是会涉及到一些 MySQL 元数据的问题，正好整理一下学习到的 MySQL 中的元数据管理模块，这里主要从数据字典和表定义两块来看，总结一下学习的要点，这是一个很大的一块内容，因此本篇文章随着笔者知识丰富会不断更新。
本文内容基于 MySQL Community 8.0.13 Version
1. 数据字典
1.1 MySQL 中的元数据
MySQL 的元数据存在很多种类，包括 Schema，Table，Index，View，Tablespace 等等，描述了数据库中库，表，索引，视图，文件等属性，在 MySQL 中也被称为数据字典，每种资源都被抽象为 DD object，每个 DD object 有一个 Object_id 标识，MySQL 内部实现也是以简洁的多态和模版方式实现的。不同的 DD object 有着类似的访问模式，MySQL 预留了多张系统的 DD 表来持久化和构建 DD object 信息，在 MySQL 8.0，这些系统的 DD 表存储 Innodb 引擎的共享 DD 系统表空间 (mysql.ibd) 中，是在 MySQL 初始化数据目录就构建好的，这些系统 DD 表在 debug 模式下可以像正常用户表一样访问，如 tables，columns, indexes 等表。
MySQL> SET SESSION debug='+d,skip_dd_table_access_check';
MySQL> SELECT name, schema_id, hidden, type
> FROM mysql.tables where schema_id=1 AND hidden='System';
+------------------------------+-----------+--------+------------+
| name | schema_id | hidden | type |
+------------------------------+-----------+--------+------------+
| tables | 1 | System | BASE TABLE |
| columns | 1 | System | BASE TABLE |
| indexes | 1 | System | BASE TABLE |
| foreign_keys | 1 | System | BASE TABLE |
...
+------------------------------+-----------+--------+------------+
MySQL 中的 DD object 的描述是一种树形结构，如图 1 所示，每个 DD object 都会有一个根系统 DD 表来存储该 DD object 的核心信息，也能够直接访问该系统 DD 表来检查 DD object 的存在性，并结合其他的子 DD 表信息辅助构建出 DD object, 并缓存在内存。如 DD table（Table_impl）的根系统 DD 表就是 mysql.tables 这张 DD 表，结合 mysql.columns 以及 mysql.indexes 等就能构建出表的完整信息，同时 index 又是以 Index_element 子 DD 系统表进行描述的，这种递归的树形结构构成了 MySQL 中 DD object 的完整的描述信息，这里简单称作 DD 描述树。
1.2 DD object 的两级缓存
每次都从系统的 DD 表构建需要的 DD object 是很低效的，因此 DD 模块维护了两级缓存来保存已经构建的 DD object 信息。
我们知道当 MySQL 建立连接后，会保留有当前连接上下文 thd 对象，thd 中的 Dictionary_client 是专门用于和 DD 模块交互，获取 DD object 信息的。每个 DD object 信息，可能存在于三个位置，
- Dictionary_client 的局部缓存，也是 DD object 获取的入口，包括三种类型 committed，uncommited, drop, 代表和持久化系统 DD 表信息一致的，修改但未持久化的，已经删除的 DD object 缓存。每种类型的缓存是一个 Object_registry 对象，按照 DD object 的种类划分，每个种类有基于 Object_id，name 等四种哈希表，当获取一个 DD object 时，从 uncommited, drop, committed 依次获取。
- Shared_dictionary_cache 的共享缓存，和 Object_registry 对象类似，也是按照 DD object 种类划分，增加了并发访问的控制逻辑，由多个 Dictionary_client 共享。
- 通过 Storage_adapter 从系统 DD 表获取信息进行构建。
1.3 DD object 的查找，更新和持久化
以表的元信息 Table 为例，其实现类是 Table_impl，其构建通过 Storage_adapter 从引擎中读取系统的 DD 表的信息，本质这些系统的 DD 表也是以 Btree 组织数据的。
每个要构建的 DD object 其需要的系统 DD 表都是提前设置好的，当打开一个 DD table 时，首先会打开其所需的所有系统 DD 表，从根系统 DD 表（mysql.tables）中走 Innodb 的 btree 查找逻辑判断是否存在，存在会返回该 DD object 的 Raw_Record 记录，restore_attributes 会从根系统 DD table 的 DD object 中查找的 record 提取所需要的值，restore_children 是从涉及的 DD 描述树中其他的系统 DD 表查找信息存储到 Table_impl 中。
对于更新和新建一个 DD object，和查找类似，会用 Table_impl 信息先构建一个 Raw_Record 记录，store_attributes 更新根系统 DD 表，store_children 更新子系统 DD 表，递归存储树形结构中的 DD 系统表。 对于树形结构中每个 DD 系统表的更新，最终都是走引擎的 Btree 写入逻辑，持久化到 mysql.ibd 的表空间中。
而对于系统的 DD 表的建立，在 mysql 初始化数据目录就定义好（register_table），表结构都是事先写好的，然后在mysql 数据字典模块初始化时，从上层 create_tables 一路打通到 innodb 层建立的。
2. 表定义信息
2.1 TABLE 和 TABLE_SHARE
前面介绍数据字典是 MySQL 维护元数据的模块，MySQL 真正操作表数据是基于表定义对象 TABLE，和存储引擎和数据打交道，每个 TABLE 内有一个handler，表示使用的引擎对象，Innodb 引擎对应的表定义信息是 dict_table_t，TABLE 对表保留有操作数据的必备的信息，如表及字段的特征信息，元数据锁，record 查找结果等。每次执行 SQL 时，都会将涉及的表列表（TABLE_LIST，如 Join 多个表）逐个 open，最终是从数据字典中的 Table_impl 获取构建 TABLE 的对象信息。
TABLE 对象由每个 thd 局部持有，通过 prev 和 next 指针串起了正在操作这个 thd 所控制的所有 TABLE 对象。即 THD::opened_tables。因为不同 thd 可能同时访问相同的表，因此 TABLE 都对应一个全局的对象TABLE_SHARE。每个 TABLE 都是从 TABLE_SHARE 构建而来，在 TABLE_SHARE 也存有每个 TABLE 的引用次数。
2.2 server 层的缓存策略
为了避免每次都从 DD 模块中构建 TABLE 对象，表定义信息也有自己的缓存策略，Server 层和 Innodb 层的缓存管理是相互独立的。
Thd 的局部表定义 TABLE 是由 table_cache_manager 管理的，为了提高并发度，首先按 Thd 的 thread_id 分片，每个 Thd 对应一个 Table_cache 结构，Table_cache 中 m_unused_table 缓存了所有的空闲 TABLE 对象，m_cache 是按照 “database_name + table_name” 和 Table_each_element 的哈希表，Table_each_element 唯一对应于一个 TABLE_SHARE，独立管理着和该 TABLE_SHARE 的所有使用和空闲的 TABLE 对象。
因为 Table_cache 是按照 thread_id 分片，因此同个 TABLE_SHARE 可能分布在多个 Table_cache 的 Table_each_element 中，分布信息也记录在 TABLE_SHARE 中。
table_cache_manager 的大小由 table_cache_size 控制，平均划分到 Table_cache 中。
当从 Table_cache_manager 找不到可用的 TABLE_SHARE 对象，会从 Table definition cache 中获取，Table definition cache 是所有 Table_Share 的缓存（包括正在使用或者未被使用的），其大小由 table_def_size 控制。当 TABLE_SHARE 被释放后会被加入 oldest_unused_share 链表尾部缓存，下次开表时直接复用，超过 table_def_size 时，也优先从 oldest_unused_share 中释放。
2.3 Innodb 层的表定义信息
Innodb 中同样需要使用表定义信息，在 innodb 的形式是 dict_table_t，缓存在 dict_sys_t 中，大小和 TABLE_SHARE 的缓存一样，由 table_def_size 控制。 包括了两个哈希表：按 name 索引的 table_hash 和 按 id 索引的 table_id_hash；以及两个 LRU 链：用于剔除 的 table_LRU 以及不剔除的 table_non_LRU。
table_non_LRU 中的表不会被缓存主动剔除 [3]，如常用的系统 DD 表 (sys_tables, sys_columns, ...)，引用关系的表 (dict_foreign_add_to_cache), 全文索引的表 (fts_optimize_add_table)，便于删表，删表逻辑时保证快速从缓存加载表。
table_LRU 随着开表（dict_table_open_on_name 和 dict_table_open_on_id）动态调整缓存中的 dict_table_t。master 线程也会定时清理 table_LRU 中超出的 dict_table_t。
dict_table_t 的开表流程也是基于临时 TABLE_SHARE 构建的。
在 dict_sys_t 中还保留一些系统 DD 表直接指针标识，使用时直接访问，避免从哈希表中查找。
引用
[1] MySQL · 源码分析 · 详解 Data Dictionary