主流数据库体系结构

MySQL

我们通常所说的 MySQL 数据库服务器由一个实例（instance）以及一个数据库（database）组成。实例包括一组后台进程/线程和许多内存结构，用于管理数据库；数据库由一组磁盘文件组成，用于存储数据和日志等信息。

MySQL 使用典型的客户端/服务器（Client/Server）结构，逻辑结构图如下所示：

MySQL 体系结构大体可以分为三层：客户端、服务器层以及存储引擎层。其中，服务器层又包括了连接管理、查询缓存 、SQL 接口、解析器、优化器、缓冲与缓存以及各种管理工具与服务等。

具体来说，每个组件的作用如下：

• 客户端，连接 MySQL 服务器的各种工具和应用程序。例如 mysql 命令行工具、mysqladmin 以及各种驱动程序等。
• 连接管理，负责监听和管理客户端的连接以及线程处理等。每一个连接到 MySQL 服务器的请求都会被分配一个连接线程。连接线程负责与客户端的通信，接受客户端发送的命令并且返回服务器处理的结果。
• 查询缓存 ，用于将执行过的 SELECT 语句和结果缓存在内存中。每次执行查询之前判断是否命中缓存，如果命中直接返回缓存的结果。缓存命中需要满足许多条件，SQL 语句完全相同，上下文环境相同等。实际上除非是只读应用，查询缓存的失效频率非常高，任何对表的修改都会导致缓存失效；因此，查询缓存在 MySQL 8.0 中已经被删除。
• SQL 接口，接收客户端发送的各种 DML和 DDL 命令，并且返回用户查询的结果。另外还包括所有的内置函数（日期、时间、数学以及加密函数）和跨存储引擎的功能，例如存储过程、触发器、视图等。
• 解析器，对 SQL 语句进行解析，例如语义和语法的分析和检查，以及对象访问权限检查等。
• 优化器，利用数据库的统计信息决定 SQL 语句的最佳执行方式。使用索引还是全表扫描的方式访问单个表，多表连接的实现方式等。优化器是决定查询性能的关键组件，而数据库的统计信息是优化器判断的基础。
• 缓存与缓冲，由一系列缓存组成的，例如数据缓存、索引缓存以及对象权限缓存等。对于已经访问过的磁盘数据，在缓冲区中进行缓存；下次访问时可以直接读取内存中的数据，从而减少磁盘 IO。
• 存储引擎，存储引擎是对底层物理数据执行实际操作的组件，为服务器层提供各种操作数据的 API。MySQL 支持插件式的存储引擎，包括 InnoDB、MyISAM、Memory 等。
• 管理工具，MySQL 提供的系统管理和控制工具，例如备份与恢复、复制、集群等。

💡MySQL 体系结构的详细介绍可以参考这篇文章。

Oracle

一个 Oracle 数据库服务器（database server）由一个数据库（database）以及至少一个数据库实例（database instance，通常简称实例）组成。正是由于实例和数据库之间的关系如此紧密，Oracle database 有时候同时表示实例和数据库。

严格来说，这些术语的意义如下：

• 数据库（Database），数据库代表磁盘上的一组文件，用于存储数据。这些文件可以独立于实例而存在。
• 数据库实例（Database instance），实例是一组内存结构，用于管理数据库文件。实例由一个称为系统全局区（SGA）的共享内存区域以及一组后台进程组成。实例可以独立于数据库文件而存在。

上图显示了一个数据库和它的实例。对于每个连接到实例的用户连接，客户端进程负责运行应用程序。每个客户端进程与自己的服务器进程关联。服务器进程拥有自己的私有会话内存，称为程序全局区（PGA）。

图中 SGA 包括数据库缓冲区高速缓存（Database Buffer Cache）、重做日志缓冲区（Redo Log Buffer）、共享池（Shared Pool）、大池（Large Pool）、固定 SGA（Fixed SGA）、Java 池（Java Pool）以及流池（Streams Pool）。SGA 右边是后台进程：PMON、SMON、RECO、MMON、MMNL 等。SGA 下边也是后台进程：DBWn、CKPT、LGWR、ARCn 以及 RVWR。再往下是 PGA 和服务器进程。服务器进程和客户端进程相互连接。客户端进程右边是数据库文件（数据文件、控制文件以及在线重做日志）、归档重做日志以及闪回日志。

💡Oracle 数据库体系结构的详细介绍可以参考这篇文章。

Microsoft SQL Server

Microsoft SQL Server 服务由一个实例（Instance）和多个数据库（Databases）组成，实例包含了后台线程和占用的内存，默认的系统数据库包括 master、model、msdb、Resource 以及 tempdb。

Microsoft SQL Server 的整体系统结构如下：

主要包含以下三个组件：

• 协议层（Protocol Layer），主要负责客户端的连接请求和数据通信。
• 关系引擎（Relational Engine），主要负责 SQL 语句的解析、优化和执行。
• 存储引擎（Storage Engine），主要负责数据和日志的存储和访问、内存和缓存管理、事务和锁管理。

💡Microsoft SQL Server 数据库体系结构的详细介绍可以参考这篇文章。

PostgreSQL

PostgreSQL 数据库系统由实例（Instance）和物理数据库集群（Database Cluster）组成。

• 实例（Instance），由 PostgreSQL 后台进程和相关的内存组成。启动服务器进程时创建一个实例，关闭服务器进程时实例随之关闭。
• 数据库集群，每个 PostgreSQL 实例管理的都是一个数据库集群，它可以包含多个数据库。注意，这里的集群不是多台服务器组成的集群。
  
• 数据库（Database），一个数据库由一组相关的对象组成，例如表、索引、视图、存储过程等等。
• 模式（Schema），数据库中的对象使用模式进行组织。准确地说，一个数据库由多个模式组成，模式由许多对象组成。
• 表空间（Tablespace），在 PostgreSQL 中，数据库对象（例如表）在文件系统中对应的是文件，表空间指定了这些文件存储的目录。创建数据库对象时，只需要指定存储对象的表空间的名称（或者使用默认值），而不需要指定磁盘上的物理路径。

这篇文章可以学习更多的 PostgreSQL 知识。

SQLite

SQLite 是一个嵌入到应用程序中的数据库引擎，没有服务端，没有单独管理数据库的服务器进程。应用程序通过函数调用和数据库引擎进程交互，而不是将消息发送给单独的进程或线程。

客户端/服务器数据库对于现代应用系统非常重要，它们专注于可伸缩性、并发性、集中管理和控制等，解决了企业数据的共享存储问题。 SQLite 则致力于为单个应用程序和设备提供本地数据存储，强调的是经济、效率、可靠性、独立性和简单性。