MySQL数据结构分析—Protocol

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目的

       MySQL数据结构Protocol及相关处理方法，是MySQL服务器端遵循的协议规范。本文通过解析MySQL服务器端的协议，分析各种协议的格式，以便于更清晰的了解协议规则。

数据结构

       Protocol数据结构定义在MySQL的源码sql/protocol.h中，Protocol是class类型，派生了Protocol_text和Protocol_binary两个子类，分别用于处理字符类数据和二进制数据的存储。Protocol类的关系图如下所示：

图1 Protocol类关系

       Protocol类中主要的分为三类：基本参数、数据存储、数据发送。其中基本参数主要包括thd是THD数据结构，主要用于存储当前线程session的一些参数；packet是数据包字段；此外还有字段相关的变量，如field_count字段数、field_pos字段位置、field_types字 段类型等。数据存储相关处理方法主要是用于处理和存储不同字段类型的数据，这些方法对不同的数据类型，可以在派生类里面进行重写。数据发送主要包括发送执 行状态和发送数据等处理方法，其中在数据发送阶段是协议格式的封装过程，并且在发送数据时调用数据存储的相关处理方法，根据数据字段的类型，对数据进行封 装发送。

协议格式

       协议格式部分主要从发送阶段数据格式的封装角度来诠释MySQL数据传输协议。以下将对所有的数据传输传输格式进行分析，由于客户端协议版本的问题，有些数据格式也有所不同。

error信息格式

       error信息是执行状态的一种，发送error信息，根据客户端不同的协议版本，有以下两种格式。

客户端协议4.1的error信息格式：

图2 客户端4.1协议error信息格式

       errno是MySQL对应的错误号，2个字节存储；“#”用于将错误号与错误信息分开；sql_state表示sql执行的状态；Error msg表示错误信息，最大512个字节长度。其中“#”和sql_state是客户端4.1协议增加的格式。

客户端之前协议error信息格式：

图3 客户端之前协议error信息格式

       客户端之前的协议仅包含两个字段，错误号errno和错误信息Error msg。对应的字段存储结构与4.1协议一致。

Error信息传输格式：

       Error信息格式在网络层传输时，通过调用NET处理函数net_write_command()进行网络传输，传输格式如下所示：

图4 error信息传输格式

       从传输格式可以看出，前三个字节存储packet的最大长度；1个字节存储下一个packet的编号；1个字节存储255，表示当前信息是错误信息，在数据信息解析过程中，用于判断是否为错误信息；ERROR内容时以上error信息格式封装的内容。特别说明的，255是Error信息与其他信息的最大区别，其他信息在传输时的格式如上类似，但是没有该字段。

OK信息格式

       OK信息是SQL执行的成功状态信息，其数据格式根据客户端协议版本，有两种数据格式。

客户端协议4.1的OK信息格式：

图5 客户端4.1协议OK信息格式

       从协议格式来看，0是一个标志位，用于表示为OK信息；affect_rows是SQL执行影响的记录行数；id为查询id值；server_status表示SQL执行后，server的状态值；warn_count是SQL执行产生的警告信息数，最大值为65535，大于这个数存储65535；msg表示传输的信息，没有长度限制，如果信息过长，会进行分包传输。其中warn_count是在客户端协议4.1中增加的字段。

客户端协议4.0的OK信息格式：

图6 客户端4.0协议OK信息格式

       与协议4.1不同的是，4.0中不包含warn_count值。但是存储了server_status字段，用于记录server在SQL执行结束后的状态。

客户端之前协议OK信息格式：

图7 OK信息格式

       对于之前的协议，OK信息格式没有server_status和warn_count字段，仅包含基本的SQL执行信息。

       在传输时，传输格式类似于Error传输格式，不同的是，没有单独的255字节标示错误信息。然而在传输的信息中，OK的信息格式的第一个字节标志位，与255的意义是一样的，同样是用于标示数据内容为OK信息。

EOF信息格式

       EOF信息是用于表示传输数据结束的信息，根据客户端协议的版本，该信息也有两种格式。对于客户端协议4.1之前的EOF信息格式仅仅是发送信息标示一个字节（254），对于4.1协议，格式如下所示。

客户端协议4.1的EOF信息格式：

图8 客户端4.1协议EOF信息格式

       有信息格式可知，254标示EOF信息，在数据传输中，254信息类型为EOF信息；warn_count和server_status字段的含义与OK信息格式中的字段一致，不再赘述。

Metadata信息格式

       Metadata数据时数据库的表定义信息，主要是将数据表的各个字段进行封装，进行数据传输。Metadata信息的格式根据客户端协议的版本，也有两种格式。

客户端协议4.1的Metadata信息格式：

       Metadata是对表定义的字段进行封装，以下仅将其中一个字段的详细信息格式给出，其他字段省略。

图9 客户端4.1协议Metadata信息格式

       由以上格式可知，首先“def”三个字符是字段定义的开始；然后db_name、table_name、org_table_name、col_name和org_col_name分别表示数据库名、表名、原始表名、列名、原始表名；数字12是指还需要12个字节来存储后面的字段信息；charset_num表示字符集编号；length表示字段的长度；type表示字段的数据类型；flags表示字段的标志位；decimals表示数据的精度；之后两个字节存储0，用于以后扩展。完整的一个字段存储完成后，紧接着下一个字段的定义。

客户端之前协议Metadata信息格式：

 

图10 Metadata信息格式

       Metadata信息格式各个字段的含义是：table_name、col_name分别表示表名和字段名；3表示接下来信息占用的字节数，即length需要占用3个字节；1和type含义同上；后面的3表示flags和decimals共占用三个字节。从以上信息格式来看，metadata在之前版本中存储的格式和字段较4.1协议，存在一些不足。首先字段定义之间没有严格的分割界限；其次每个字段的长度占用一个字节去存储占用的字节数，浪费空间；最后信息内容不够全面。而这些问题，在4.1协议中有了较好的改进。

       在处理函数send_result_set_metadata()中，根据flags的值，有几种不同的处理结果。其中一个是直接获取字段数，直接传输结果；另外就是发送EOF信息，表明数据传输结束。

ROW信息格式

       ROW信息的存储根据不同字段的存储类型，存储方式也不同，以下将根据不同的字段类型，分别给出具体字段的信息格式。

字符类型的NULL存储格式

       对于字段的数据为NULL的情况，在ROW数据封装时，仅存储251，占用1个字节。即在封装的数据包中，251表示NULL值。

字符类型存储格式

       字符类型主要包括MYSQL_TYPE_NULL、MYSQL_TYPE_DECIMAL、MYSQL_TYPE_ENUM、MYSQL_TYPE_SET、MYSQL_TYPE_TINY_BLOB、MYSQL_TYPE_MEDIUM_BLOB、MYSQL_TYPE_LONG_BLOB、MYSQL_TYPE_BLOB、MYSQL_TYPE_GEOMETRY、MYSQL_TYPE_STRING、MYSQL_TYPE_VAR_STRING、MYSQL_TYPE_VARCHAR、MYSQL_TYPE_BIT、MYSQL_TYPE_NEWDECIMAL，这些数据类型都是以字符的方式存储，特别注意的是文本类型与字符集有紧密的关系。字符类型根据长度，存储格式有多种格式，具体如下所示：

1、数据长度小于251

       数据长度小于251时，仅存储数据长度和数据内容。其中数据长度length占用1个字符。存储格式如下所示：

图11 数据长度小于251的字符格式

2、数据长度大于等于251小于65536

       数据长度大于等于251并且小于65536时，存储格式包括三个部分：标志位252，表示数据长度范围；数据长度length，占用字节数与字符集有关；数据data内容。存储格式如下所示：

图12 数据长度小于65536的字符格式

3、数据长度大于等于65536小于16M

       数据长度大于等于65536并且小于16M时，存储格式同第二种格式类似，仅标注位和数据长度占用的字节数不同。具体存储格式如下所示：

 

图13 数据长度小于16M的字符格式

数据类型存储格式

       数据类型的存储首先调用对应的函数转化为字符类型（如tiny、long、float、decimal等类型），或者封装数据类型为字符类型（如time、datetime等）。最后处理转化为字符类型存储。

二进制数据存储格式

       二进制数据格式的存储没有字符集的问题，因此数据类型也不需要转化为字符类型，直接封装数据即可，存储格式同以上格式一致。其中对NULL值的存储格式有较大差异，存储格式根据字段位置计算，存储NULL值的源码如下所示：

bool Protocol_binary::store_null()

{

  uint offset= (field_pos+2)/8+1, bit= (1 << ((field_pos+2) & 7));

  /* Room for this as it's allocated in prepare_for_send */

  char *to= (char*) packet->ptr()+offset;

  *to= (char) ((uchar) *to | (uchar) bit);

  field_pos++;

  return 0;

}

结论

       通过对协议中各种信息的格式进行分析，进一步了解了MySQL服务器端数据封装和传输的协议。更深入的，结合客户端传输内容，分析传输内容，进行中间代理层处理，从而达到控制命令和数据的目的。