数据库两大神器【索引和锁】

前言

只有光头才能变强

索引和锁在数据库中能够说是很是重要的知识点了，在面试中也会常常会被问到的。

本文力求简单讲清每一个知识点，但愿你们看完能有所收获

声明：若是没有说明具体的数据库和存储引擎，默认指的是MySQL中的InnoDB存储引擎

1、索引

在以前，我对索引有如下的认知：

• 索引能够加快数据库的检索速度
• 表常常进行INSERT/UPDATE/DELETE操做就不要创建索引了，换言之：索引会下降插入、删除、修改等维护任务的速度。
• 索引须要占物理和数据空间。
• 了解过索引的最左匹配原则
• 知道索引的分类：汇集索引和非汇集索引
• Mysql支持Hash索引和B+树索引两种

看起来好像啥都知道，但面试让你说的时候可能就GG了：

• 使用索引为何能够加快数据库的检索速度啊？
• 为何说索引会下降插入、删除、修改等维护任务的速度。
• 索引的最左匹配原则指的是什么？
• Hash索引和B+树索引有什么区别？主流的使用哪个比较多？InnoDB存储都支持吗？
• 汇集索引和非汇集索引有什么区别？
• ........

1.1聊聊索引的基础知识

首先Mysql的基本存储结构是页(记录都存在页里边)：

• 各个数据页能够组成一个双向链表
• 而每一个数据页中的记录又能够组成一个单向链表
  • 每一个数据页都会为存储在它里边儿的记录生成一个页目录，在经过主键查找某条记录的时候能够在页目录中使用二分法快速定位到对应的槽，而后再遍历该槽对应分组中的记录便可快速找到指定的记录
  • 以其余列(非主键)做为搜索条件：只能从最小记录开始依次遍历单链表中的每条记录。

因此说，若是咱们写select * from user where username = 'Java3y'这样没有进行任何优化的sql语句，默认会这样作：

• 定位到记录所在的页
  • 须要遍历双向链表，找到所在的页
• 从所在的页内中查找相应的记录
  • 因为不是根据主键查询，只能遍历所在页的单链表了

很明显，在数据量很大的状况下这样查找会很慢！

1.2索引提升检索速度

索引作了些什么可让咱们查询加快速度呢？

其实就是将无序的数据变成有序(相对)：

要找到id为8的记录简要步骤：

很明显的是：没有用索引咱们是须要遍历双向链表来定位对应的页，如今经过**“目录”**就能够很快地定位到对应的页上了！

其实底层结构就是B+树，B+树做为树的一种实现，可以让咱们很快地查找出对应的记录。

参考资料：

• Mysql索引

1.3索引下降增删改的速度

B+树是平衡树的一种。

平衡树：它是一棵空树或它的左右两个子树的高度差的绝对值不超过1，而且左右两个子树都是一棵平衡二叉树。

若是一棵普通的树在极端的状况下，是能退化成链表的(树的优势就不复存在了)

B+树是平衡树的一种，是不会退化成链表的，树的高度都是相对比较低的(基本符合矮矮胖胖(均衡)的结构)【这样一来咱们检索的时间复杂度就是O(logn)】！从上一节的图咱们也能够看见，创建索引实际上就是创建一颗B+树。

• B+树是一颗平衡树，若是咱们对这颗树增删改的话，那确定会破坏它的原有结构。
• 要维持平衡树，就必须作额外的工做。正由于这些额外的工做开销，致使索引会下降增删改的速度

B+树删除和修改具体可参考：

• www.cnblogs.com/wade-luffy/…

1.4哈希索引

除了B+树以外，还有一种常见的是哈希索引。

哈希索引就是采用必定的哈希算法，把键值换算成新的哈希值，检索时不须要相似B+树那样从根节点到叶子节点逐级查找，只需一次哈希算法便可马上定位到相应的位置，速度很是快。

• 本质上就是把键值换算成新的哈希值，根据这个哈希值来定位。

看起来哈希索引很牛逼啊，但其实哈希索引有好几个局限(根据他本质的原理可得)：

• 哈希索引也没办法利用索引完成排序
• 不支持最左匹配原则
• 在有大量重复键值状况下，哈希索引的效率也是极低的---->哈希碰撞问题。
• 不支持范围查询

参考资料：

• www.cnblogs.com/zengkefu/p/…---hash索引和b+tree索引

1.5InnoDB支持哈希索引吗？

主流的仍是使用B+树索引比较多，对于哈希索引，InnoDB是自适应哈希索引的（hash索引的建立由InnoDB存储引擎引擎自动优化建立，咱们干预不了）！

参考资料：

• blog.csdn.net/doctor_who2…

1.6汇集和非汇集索引

简单归纳：

• 汇集索引就是以主键建立的索引
• 非汇集索引就是以非主键建立的索引

区别：

• 汇集索引在叶子节点存储的是表中的数据
• 非汇集索引在叶子节点存储的是主键和索引列
• 使用非汇集索引查询出数据时，拿到叶子上的主键再去查到想要查找的数据。(拿到主键再查找这个过程叫作回表)

非汇集索引也叫作二级索引，不用纠结那么多名词，将其等价就好了~

非汇集索引在创建的时候也未必是单列的，能够多个列来建立索引。

• 此时就涉及到了哪一个列会走索引，哪一个列不走索引的问题了(最左匹配原则-->后面有说)
• 建立多个单列(非汇集)索引的时候，会生成多个索引树(因此过多建立索引会占用磁盘空间)

在建立多列索引中也涉及到了一种特殊的索引-->覆盖索引

• 咱们前面知道了，若是不是汇集索引，叶子节点存储的是主键+列值
• 最终仍是要“回表”，也就是要经过主键再查找一次。这样就会比较慢
• 覆盖索引就是把要查询出的列和索引是对应的，不作回表操做！

好比说：

• 如今我建立了索引(username,age)，在查询数据的时候：select username , age from user where username = 'Java3y' and age = 20。
• 很明显地知道，咱们上边的查询是走索引的，而且，要查询出的列在叶子节点都存在！因此，就不用回表了~
• 因此，能使用覆盖索引就尽可能使用吧~

1.7索引最左匹配原则

最左匹配原则：

• 索引能够简单如一个列(a)，也能够复杂如多个列(a, b, c, d)，即联合索引。
• 若是是联合索引，那么key也由多个列组成，同时，索引只能用于查找key是否存在（相等），遇到范围查询(>、<、between、like左匹配)等就不能进一步匹配了，后续退化为线性查找。
• 所以，列的排列顺序决定了可命中索引的列数。

例子：

• 若有索引(a, b, c, d)，查询条件a = 1 and b = 2 and c > 3 and d = 4，则会在每一个节点依次命中a、b、c，没法命中d。(很简单：索引命中只能是相等的状况，不能是范围匹配)

1.8=、in自动优化顺序

不须要考虑=、in等的顺序，mysql会自动优化这些条件的顺序，以匹配尽量多的索引列。

例子：

• 若有索引(a, b, c, d)，查询条件c > 3 and b = 2 and a = 1 and d < 4与a = 1 and c > 3 and b = 2 and d < 4等顺序都是能够的，MySQL会自动优化为a = 1 and b = 2 and c > 3 and d < 4，依次命中a、b、c。

1.9索引总结

索引在数据库中是一个很是重要的知识点！上面谈的其实就是索引最基本的东西，要建立出好的索引要顾及到不少的方面：

• 1，最左前缀匹配原则。这是很是重要、很是重要、很是重要（重要的事情说三遍）的原则，MySQL会一直向右匹配直到遇到范围查询（>,<,BETWEEN,LIKE）就中止匹配。
• 3，尽可能选择区分度高的列做为索引，区分度的公式是 COUNT(DISTINCT col) / COUNT(*)。表示字段不重复的比率，比率越大咱们扫描的记录数就越少。
• 4，索引列不能参与计算，尽可能保持列“干净”。好比，FROM_UNIXTIME(create_time) = '2016-06-06' 就不能使用索引，缘由很简单，B+树中存储的都是数据表中的字段值，可是进行检索时，须要把全部元素都应用函数才能比较，显然这样的代价太大。因此语句要写成 ： create_time = UNIX_TIMESTAMP('2016-06-06')。
• 5，尽量的扩展索引，不要新创建索引。好比表中已经有了a的索引，如今要加（a,b）的索引，那么只须要修改原来的索引便可。
• 6，单个多列组合索引和多个单列索引的检索查询效果不一样，由于在执行SQL时，MySQL只能使用一个索引，会从多个单列索引中选择一个限制最为严格的索引。

参考资料：

• zhuanlan.zhihu.com/p/23624390--简单理解索引
• blog.csdn.net/mysteryhaoh…-- MySQL学习之——索引(普通索引、惟一索引、全文索引、索引匹配原则、索引命中等)
• monkeysayhi.github.io/2018/03/06/…---浅谈MySQL的B树索引与索引优化

2、锁

在mysql中的锁看起来是很复杂的，由于有一大堆的东西和名词：排它锁，共享锁，表锁，页锁，间隙锁，意向排它锁，意向共享锁，行锁，读锁，写锁，乐观锁，悲观锁，死锁。这些名词有的博客又直接写锁的英文的简写--->X锁，S锁，IS锁，IX锁，MMVC...

锁的相关知识又跟存储引擎，索引，事务的隔离级别都是关联的....

这就给初学数据库锁的人带来很多的麻烦~~~因而我下面就简单整理一下数据库锁的知识点，但愿你们看完会有所帮助。

2.1为何须要学习数据库锁知识

很多人在开发的时候，应该不多会注意到这些锁的问题，也不多会给程序加锁(除了库存这些对数量准确性要求极高的状况下)

通常也就听过常说的乐观锁和悲观锁，了解过基本的含义以后就没了~~~

定心丸：即便咱们不会这些锁知识，咱们的程序在通常状况下仍是能够跑得好好的。由于这些锁数据库隐式帮咱们加了

• 对于UPDATE、DELETE、INSERT语句，InnoDB会自动给涉及数据集加排他锁（X)
• MyISAM在执行查询语句SELECT前，会自动给涉及的全部表加读锁，在执行更新操做（UPDATE、DELETE、INSERT等）前，会自动给涉及的表加写锁，这个过程并不须要用户干预

只会在某些特定的场景下才须要手动加锁，学习数据库锁知识就是为了:

• 能让咱们在特定的场景下派得上用场
• 更好把控本身写的程序
• 在跟别人聊数据库技术的时候能够搭上几句话
• 构建本身的知识库体系！在面试的时候不虚

2.2表锁简单介绍

首先，从锁的粒度，咱们能够分红两大类：

• 表锁
  • 开销小，加锁快；不会出现死锁；锁定力度大，发生锁冲突几率高，并发度最低
• 行锁
  • 开销大，加锁慢；会出现死锁；锁定粒度小，发生锁冲突的几率低，并发度高

不一样的存储引擎支持的锁粒度是不同的：

• InnoDB行锁和表锁都支持！
• MyISAM只支持表锁！

InnoDB只有经过索引条件检索数据才使用行级锁，不然，InnoDB将使用表锁

• 也就是说，InnoDB的行锁是基于索引的！

表锁下又分为两种模式：

• 表读锁（Table Read Lock）
• 表写锁（Table Write Lock）
• 从下图能够清晰看到，在表读锁和表写锁的环境下：读读不阻塞，读写阻塞，写写阻塞！
  • 读读不阻塞：当前用户在读数据，其余的用户也在读数据，不会加锁
  • 读写阻塞：当前用户在读数据，其余的用户不能修改当前用户读的数据，会加锁！
  • 写写阻塞：当前用户在修改数据，其余的用户不能修改当前用户正在修改的数据，会加锁！

从上面已经看到了：读锁和写锁是互斥的，读写操做是串行。

• 若是某个进程想要获取读锁，同时另一个进程想要获取写锁。在mysql里边，写锁是优先于读锁的！
• 写锁和读锁优先级的问题是能够经过参数调节的：max_write_lock_count和low-priority-updates

值得注意的是：

The LOCAL modifier enables nonconflicting INSERT statements (concurrent inserts) by other sessions to execute while the lock is held. (See Section 8.11.3, “Concurrent Inserts”.) However, READ LOCAL cannot be used if you are going to manipulate the database using processes external to the server while you hold the lock. For InnoDB tables, READ LOCAL is the same as READ

• MyISAM能够支持查询和插入操做的并发进行。能够经过系统变量concurrent_insert来指定哪一种模式，在MyISAM中它默认是：若是MyISAM表中没有空洞（即表的中间没有被删除的行），MyISAM容许在一个进程读表的同时，另外一个进程从表尾插入记录。
• 可是InnoDB存储引擎是不支持的！

参考资料：

• dev.mysql.com/doc/refman/…--官方手册
• ourmysql.com/archives/56…---几个参数说明

2.2行锁细讲

上边简单讲解了表锁的相关知识，咱们使用Mysql通常是使用InnoDB存储引擎的。InnoDB和MyISAM有两个本质的区别：

• InnoDB支持行锁
• InnoDB支持事务

从上面也说了：咱们是不多手动加表锁的。表锁对咱们程序员来讲几乎是透明的，即便InnoDB不走索引，加的表锁也是自动的！

咱们应该更加关注行锁的内容，由于InnoDB一大特性就是支持行锁！

InnoDB实现了如下两种类型的行锁。

• 共享锁（S锁）：容许一个事务去读一行，阻止其余事务得到相同数据集的排他锁。
  • 也叫作读锁：读锁是共享的，多个客户能够同时读取同一个资源，但不容许其余客户修改。
• 排他锁（X锁)：容许得到排他锁的事务更新数据，阻止其余事务取得相同数据集的共享读锁和排他写锁。
  • 也叫作写锁：写锁是排他的，写锁会阻塞其余的写锁和读锁。

看完上面的有没有发现，在一开始所说的：X锁，S锁，读锁，写锁，共享锁，排它锁其实总共就两个锁，只不过它们有多个名字罢了~~~

Intention locks do not block anything except full table requests (for example, LOCK TABLES ... WRITE). The main purpose of intention locks is to show that someone is locking a row, or going to lock a row in the table.

另外，为了容许行锁和表锁共存，实现多粒度锁机制，InnoDB还有两种内部使用的意向锁（Intention Locks），这两种意向锁都是表锁：

• 意向共享锁（IS）：事务打算给数据行加行共享锁，事务在给一个数据行加共享锁前必须先取得该表的IS锁。
• 意向排他锁（IX）：事务打算给数据行加行排他锁，事务在给一个数据行加排他锁前必须先取得该表的IX锁。
• 意向锁也是数据库隐式帮咱们作了，不须要程序员操心！

参考资料：

• www.zhihu.com/question/51…
• dev.mysql.com/doc/refman/…

2.2.1MVCC和事务的隔离级别

数据库事务有不一样的隔离级别，不一样的隔离级别对锁的使用是不一样的，锁的应用最终致使不一样事务的隔离级别

MVCC(Multi-Version Concurrency Control)多版本并发控制，能够简单地认为：MVCC就是行级锁的一个变种(升级版)。

• 事务的隔离级别就是经过锁的机制来实现，只不过隐藏了加锁细节

在表锁中咱们读写是阻塞的，基于提高并发性能的考虑，MVCC通常读写是不阻塞的(因此说MVCC不少状况下避免了加锁的操做)

• MVCC实现的读写不阻塞正如其名：多版本并发控制--->经过必定机制生成一个数据请求时间点的一致性数据快照（Snapshot)，并用这个快照来提供必定级别（语句级或事务级）的一致性读取。从用户的角度来看，好像是数据库能够提供同一数据的多个版本。

快照有两个级别：

• 语句级
  • 针对于Read committed隔离级别
• 事务级别
  • 针对于Repeatable read隔离级别

咱们在初学的时候已经知道，事务的隔离级别有4种：

• Read uncommitted
  • 会出现脏读，不可重复读，幻读
• Read committed
  • 会出现不可重复读，幻读
• Repeatable read
  • 会出现幻读(但在Mysql实现的Repeatable read配合gap锁不会出现幻读！)
• Serializable
  • 串行，避免以上的状况！

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Read uncommitted会出现的现象--->脏读：一个事务读取到另一个事务未提交的数据

• 例子：A向B转帐，A执行了转帐语句，但A尚未提交事务，B读取数据，发现本身帐户钱变多了！B跟A说，我已经收到钱了。A回滚事务【rollback】，等B再查看帐户的钱时，发现钱并无多。
• 出现脏读的本质就是由于操做(修改)完该数据就立马释放掉锁，致使读的数据就变成了无用的或者是错误的数据。

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Read committed避免脏读的作法其实很简单：

• 就是把释放锁的位置调整到事务提交以后，此时在事务提交前，其余进程是没法对该行数据进行读取的，包括任何操做

但Read committed出现的现象--->不可重复读：一个事务读取到另一个事务已经提交的数据，也就是说一个事务能够看到其余事务所作的修改

• 注：A查询数据库获得数据，B去修改数据库的数据，致使A屡次查询数据库的结果都不同【危害：A每次查询的结果都是受B的影响的，那么A查询出来的信息就没有意思了】

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上面也说了，Read committed是语句级别的快照！每次读取的都是当前最新的版本！

Repeatable read避免不可重复读是事务级别的快照！每次读取的都是当前事务的版本，即便被修改了，也只会读取当前事务版本的数据。

呃...若是仍是不太清楚，咱们来看看InnoDB的MVCC是怎么样的吧(摘抄《高性能MySQL》)

至于虚读(幻读)：是指在一个事务内读取到了别的事务插入的数据，致使先后读取不一致。

• 注：和不可重复读相似，但虚读(幻读)会读到其余事务的插入的数据，致使先后读取不一致
• MySQL的Repeatable read隔离级别加上GAP间隙锁已经处理了幻读了。

参考资料：

• www.jianshu.com/p/cb97f76a9…
• www.zhihu.com/question/26…

扩展阅读：

• www.zhihu.com/question/67…

2.3乐观锁和悲观锁

不管是Read committed仍是Repeatable read隔离级别，都是为了解决读写冲突的问题。

单纯在Repeatable read隔离级别下咱们来考虑一个问题：

此时，用户李四的操做就丢失掉了：

• 丢失更新：一个事务的更新覆盖了其它事务的更新结果。

(ps:暂时没有想到比较好的例子来讲明更新丢失的问题，虽然上面的例子也是更新丢失，但必定程度上是可接受的..不知道有没有人能想到不可接受的更新丢失例子呢...)

解决的方法：

• 使用Serializable隔离级别，事务是串行执行的！
• 乐观锁
• 悲观锁

1. 乐观锁是一种思想，具体实现是，表中有一个版本字段，第一次读的时候，获取到这个字段。处理完业务逻辑开始更新的时候，须要再次查看该字段的值是否和第一次的同样。若是同样更新，反之拒绝。之因此叫乐观，由于这个模式没有从数据库加锁，等到更新的时候再判断是否能够更新。
2. 悲观锁是数据库层面加锁，都会阻塞去等待锁。

2.3.1悲观锁

因此，按照上面的例子。咱们使用悲观锁的话其实很简单(手动加行锁就好了)：

• select * from xxxx for update

在select 语句后边加了 for update至关于加了排它锁(写锁)，加了写锁之后，其余的事务就不能对它修改了！须要等待当前事务修改完以后才能够修改.

• 也就是说，若是张三使用select ... for update，李四就没法对该条记录修改了~

2.3.2乐观锁

乐观锁不是数据库层面上的锁，是须要本身手动去加的锁。通常咱们添加一个版本字段来实现：

具体过程是这样的：

张三select * from table --->会查询出记录出来，同时会有一个version字段

李四select * from table --->会查询出记录出来，同时会有一个version字段

李四对这条记录作修改：update A set Name=lisi,version=version+1 where ID=#{id} and version=#{version}，判断以前查询到的version与如今的数据的version进行比较，同时会更新version字段

此时数据库记录以下：

张三也对这条记录修改：update A set Name=lisi,version=version+1 where ID=#{id} and version=#{version}，但失败了！由于当前数据库中的版本跟查询出来的版本不一致！

参考资料：

• zhuanlan.zhihu.com/p/31537871---什么是悲观锁和乐观锁
• www.zhihu.com/question/27…---乐观锁和 MVCC 的区别？

2.4间隙锁GAP

当咱们用范围条件检索数据而不是相等条件检索数据，并请求共享或排他锁时，InnoDB会给符合范围条件的已有数据记录的索引项加锁；对于键值在条件范围内但并不存在的记录，叫作“间隙（GAP)”。InnoDB也会对这个“间隙”加锁，这种锁机制就是所谓的间隙锁。

值得注意的是：间隙锁只会在Repeatable read隔离级别下使用~

例子：假如emp表中只有101条记录，其empid的值分别是1,2,...,100,101

Select * from  emp where empid > 100 for update;

复制代码

上面是一个范围查询，InnoDB不只会对符合条件的empid值为101的记录加锁，也会对empid大于101（这些记录并不存在）的“间隙”加锁。

InnoDB使用间隙锁的目的有两个：

• 为了防止幻读(上面也说了，Repeatable read隔离级别下再经过GAP锁便可避免了幻读)
• 知足恢复和复制的须要
  • MySQL的恢复机制要求：在一个事务未提交前，其余并发事务不能插入知足其锁定条件的任何记录，也就是不容许出现幻读

2.5死锁

并发的问题就少不了死锁，在MySQL中一样会存在死锁的问题。

但通常来讲MySQL经过回滚帮咱们解决了很多死锁的问题了，但死锁是没法彻底避免的，能够经过如下的经验参考，来尽量少遇到死锁：

• 1）以固定的顺序访问表和行。好比对两个job批量更新的情形，简单方法是对id列表先排序，后执行，这样就避免了交叉等待锁的情形；将两个事务的sql顺序调整为一致，也能避免死锁。
• 2）大事务拆小。大事务更倾向于死锁，若是业务容许，将大事务拆小。
• 3）在同一个事务中，尽量作到一次锁定所须要的全部资源，减小死锁几率。
• 4）下降隔离级别。若是业务容许，将隔离级别调低也是较好的选择，好比将隔离级别从RR调整为RC，能够避免掉不少由于gap锁形成的死锁。
• 5）为表添加合理的索引。能够看到若是不走索引将会为表的每一行记录添加上锁，死锁的几率大大增大。

参考资料：

• hedengcheng.com/?p=771#_Toc…
• www.cnblogs.com/LBSer/p/518…

2.6锁总结

上面说了一大堆关于MySQL数据库锁的东西，如今来简单总结一下。

表锁其实咱们程序员是不多关心它的：

• 在MyISAM存储引擎中，当执行SQL语句的时候是自动加的。
• 在InnoDB存储引擎中，若是没有使用索引，表锁也是自动加的。

如今咱们大多数使用MySQL都是使用InnoDB，InnoDB支持行锁：

• 共享锁--读锁--S锁
• 排它锁--写锁--X锁

在默认的状况下，select是不加任何行锁的~事务能够经过如下语句显示给记录集加共享锁或排他锁。

• 共享锁（S）：SELECT * FROM table_name WHERE ... LOCK IN SHARE MODE。
• 排他锁（X)：SELECT * FROM table_name WHERE ... FOR UPDATE。

InnoDB基于行锁还实现了MVCC多版本并发控制，MVCC在隔离级别下的Read committed和Repeatable read下工做。MVCC可以实现读写不阻塞！

InnoDB实现的Repeatable read隔离级别配合GAP间隙锁已经避免了幻读！

• 乐观锁实际上是一种思想，正如其名：认为不会锁定的状况下去更新数据，若是发现不对劲，才不更新(回滚)。在数据库中每每添加一个version字段来实现。
• 悲观锁用的就是数据库的行锁，认为数据库会发生并发冲突，直接上来就把数据锁住，其余事务不能修改，直至提交了当前事务

参考资料：

• zhuanlan.zhihu.com/p/29150809--Mysql锁总结
• blog.csdn.net/mysteryhaoh…--MySQL学习之——锁(行锁、表锁、页锁、乐观锁、悲观锁等)
• segmentfault.com/a/119000001…--MySQL InnoDB引擎锁的总结

3、总结

本文主要介绍了数据库中的两个比较重要的知识点：索引和锁。他俩能够说息息相关的，锁会涉及到不少关于索引的知识~

我我的比较重视对总体知识点的把控，一些细节的地方可能就没有去编写了。在每个知识点下都会有不少的内容，有兴趣的同窗能够在我给出的连接中继续阅读学习。固然了，若是有比较好的文章和资料也不妨在评论区分享一下哈~

我只是在学习的过程当中，把本身遇到的问题写出来，整理出来，但愿能够对你们有帮助。若是文章有错的地方，但愿你们能够在评论区指正，一块儿学习交流~

参考资料：

• 《高性能MySQL 第三版》

若是文章有错的地方欢迎指正，你们互相交流。习惯在微信看技术文章，想要获取更多的Java资源的同窗，能够关注微信公众号:Java3y。

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