1. 前言

「頁(yè)」是InnoDB管理存儲(chǔ)空間的基本單位，也是內(nèi)存和磁盤交互的基本單位。也就是說(shuō)，哪怕你需要1字節(jié)的數(shù)據(jù)，InnoDB也會(huì)讀取整個(gè)頁(yè)的數(shù)據(jù)，下次讀取的數(shù)據(jù)如果恰巧也在這個(gè)頁(yè)里，就能命中緩存了。寫也是一樣的，寫數(shù)據(jù)前要先把頁(yè)加載到內(nèi)存，然后在內(nèi)存中修改，該頁(yè)被記為「臟頁(yè)」，臟頁(yè)淘汰之前必須刷盤。

InnoDB有很多類型的頁(yè)，它們的用處也各不相同。比如：有存放undo日志的頁(yè)、有存放INODE信息的頁(yè)、有存放Change Buffer信息的頁(yè)、存放用戶記錄數(shù)據(jù)的頁(yè)等等。今天我們要聊的，就是最基礎(chǔ)也是最重要的，存放用戶記錄數(shù)據(jù)的「索引頁(yè)」。

2. 索引頁(yè)結(jié)構(gòu)

InnoDB默認(rèn)的頁(yè)大小是16KB，在初始化表空間之前可以在配置文件中進(jìn)行配置，一旦初始化完成就不可再變更了。查看頁(yè)大小的命令如下，顯示的是字節(jié)數(shù)。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';

索引頁(yè)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

索引頁(yè)由七部分組成，其中Infimum和Supremum也屬于記錄，只不過(guò)是虛擬記錄，這里為了與用戶記錄區(qū)分開(kāi)，還是決定將兩者拆開(kāi)。

2.1 File Header

File Header是所有頁(yè)都有的一個(gè)通用的結(jié)構(gòu)，占用固定的38字節(jié)，它記錄了頁(yè)的一些通用的狀態(tài)信息，例如：頁(yè)的頁(yè)號(hào)、Checksum、把頁(yè)串聯(lián)成雙向鏈表的指針、頁(yè)的類型等等。

FIL_PAGE_SPACE_OR_CHECKSUM

基于當(dāng)前頁(yè)計(jì)算出的校驗(yàn)和(Checksum)，可以把它看作是哈希值，校驗(yàn)和不同，則兩個(gè)頁(yè)數(shù)據(jù)肯定不同。它的作用是InnoDB在臟頁(yè)刷盤時(shí)，有可能會(huì)遇到頁(yè)刷到一半斷電的情況，頁(yè)的頭和尾部分分別記錄校驗(yàn)和，只有當(dāng)頭尾的校驗(yàn)和一致的時(shí)候，才代表磁盤上的頁(yè)是完整的，否則就是一個(gè)損壞的頁(yè)。

FIL_PAGE_OFFSET

頁(yè)號(hào)，頁(yè)的唯一標(biāo)識(shí)，全局遞增的數(shù)字，InnoDB通過(guò)頁(yè)號(hào)來(lái)定位唯一的一個(gè)頁(yè)。4字節(jié)存儲(chǔ)，意味著一個(gè)表空間最多可以有232個(gè)頁(yè)，按照一個(gè)頁(yè)16KB計(jì)算，則一個(gè)表空間最多支持64TB的數(shù)據(jù)。

FIL_PAGE_PREV & FIL_PAGE_NEXT

一個(gè)頁(yè)大小才16KB，一張表數(shù)據(jù)其實(shí)是由N多個(gè)頁(yè)構(gòu)成的，頁(yè)與頁(yè)之間在物理上可以是不連續(xù)的，但是邏輯上要連續(xù)，F(xiàn)IL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT分別指向當(dāng)前頁(yè)的上一個(gè)頁(yè)和下一個(gè)頁(yè)的頁(yè)號(hào)，通過(guò)這兩個(gè)指針將索引頁(yè)串聯(lián)成了一個(gè)雙向鏈表。記錄與記錄之間是單向的，頁(yè)與頁(yè)之間是雙向的！

FIL_PAGE_LSN

頁(yè)面最后被修改時(shí)，對(duì)應(yīng)的LSN值。LSN的全稱是Log Sequence Number，日志序列號(hào)。它是一個(gè)遞增的數(shù)字，和事務(wù)相關(guān)，這里不作贅述。

FIL_PAGE_TYPE

當(dāng)前頁(yè)的類型，InnoDB為了不同的目的設(shè)計(jì)了很多不同類型的頁(yè)，索引頁(yè)的固定值是0x45BF。

FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN

僅在第1個(gè)頁(yè)中使用，用來(lái)判斷數(shù)據(jù)庫(kù)是正常關(guān)閉還是異常宕機(jī)。

FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID

僅記錄當(dāng)前頁(yè)數(shù)據(jù)哪個(gè)表空間。

2.2 Page Header

Page Header是索引頁(yè)特有的結(jié)構(gòu)，占用固定的56字節(jié)，它記錄了索引頁(yè)中記錄相關(guān)的狀態(tài)信息。

不用每個(gè)屬性都了解，我們挑幾個(gè)比較重要的看看。

PAGE_N_DlR_SLOTS

一個(gè)頁(yè)內(nèi)可能有上千條記錄，挨個(gè)遍歷的話效率太慢了。為了提高頁(yè)內(nèi)記錄的檢索效率，InnoDB將頁(yè)內(nèi)的記錄劃分為多個(gè)組，組里最大的那條記錄相較于頁(yè)的地址偏移量會(huì)記錄到「Page Directory」部分，每個(gè)組都對(duì)應(yīng)一個(gè)槽，槽的大小是固定的2字節(jié)。該屬性記錄的就是頁(yè)內(nèi)槽的數(shù)量。

PAGE_HEAP_TOP

Free Space的起始位置，它是User Records和Free Space分界點(diǎn)。一個(gè)全新的頁(yè)一開(kāi)始是沒(méi)有User Records部分的，每插入一條記錄，都要向Free Space申請(qǐng)空間，F(xiàn)ree Space耗盡就代表頁(yè)滿了。

PAGE_FREE

DELETE命令刪除記錄時(shí)，InnoDB并不會(huì)真的將記錄從磁盤中刪除，而是在記錄的頭信息里打個(gè)標(biāo)記，然后將其加入到「垃圾鏈表」中。PAGE_FREE指向的就是垃圾鏈表的表頭記錄。后面刪除的記錄，也會(huì)自動(dòng)加入到鏈表里。

PAGE_DIRECTION & PAGE_N_DIRECTION

PAGE_DIRECTION表示最后一條記錄插入的方向，比上一條記錄值大則記為右邊，反之則是左邊。PAGE_N_DIRECTION表示同一方向連續(xù)插入的記錄數(shù)，方向變了該值就會(huì)重置。

PAGE_LEVEL

InnoDB組織數(shù)據(jù)的形式就是B+樹(shù)，樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)就是索引頁(yè)，PAGE_LEVEL代表當(dāng)前頁(yè)在B+樹(shù)中所處的層級(jí)。InnoDB規(guī)定，葉子節(jié)點(diǎn)層級(jí)為0，然后向上遞增。

2.3 User Records

Infimum和Supremum也屬于記錄，只是為了與用戶記錄區(qū)分開(kāi)才劃分成了兩部分，我們先看User Records。

用戶記錄存放在User Records部分，一個(gè)全新的頁(yè)一開(kāi)始全是Free Space，是沒(méi)有User Records部分的。每插入一條記錄都需要到Free Space申請(qǐng)一塊空間，并將其劃分到User Records用來(lái)存放用戶記錄。當(dāng)Free Space耗盡也就代表當(dāng)前頁(yè)已經(jīng)用完了，再有新記錄需要插入，就需要申請(qǐng)一個(gè)新的頁(yè)了。

還記得MySQL的行格式嗎？它決定了記錄在磁盤里的存儲(chǔ)格式。以COMPACT為例，存儲(chǔ)格式如下圖：

記錄頭信息里的字段比較關(guān)鍵，以防大家忘記，我這里再貼一下：

記錄頭信息的最后2字節(jié)用來(lái)連接下一條記錄，將頁(yè)內(nèi)所有記錄串聯(lián)成一個(gè)單向鏈表。所以我們隱藏變長(zhǎng)字段長(zhǎng)度列表和NULL值列表，記錄的格式應(yīng)該是這樣的：

記錄是怎么排序的？
我們已經(jīng)知道，頁(yè)內(nèi)的記錄會(huì)自動(dòng)串聯(lián)成一個(gè)單向鏈表。那這個(gè)鏈表的編排順序是什么呢？是按照記錄的插入時(shí)間排序的嗎？其實(shí)不是的，如果表有主鍵，會(huì)根據(jù)主鍵排序；沒(méi)主鍵有唯一非空索引，會(huì)根據(jù)該索引排序；兩者都沒(méi)有，InnoDB會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)row_id列并根據(jù)該列進(jìn)行排序。

若無(wú)特殊說(shuō)明，本文均假定表有主鍵。

2.4 Infimum & Supremum

Infimum和Supremum是索引頁(yè)內(nèi)的兩條虛擬記錄，InnoDB規(guī)定所有索引頁(yè)都會(huì)有這兩條記錄，而且所有的用戶記錄都比Infimum大，都比Supremum小。
記錄頭信息里的heap_no代表記錄在堆里的相對(duì)位置，該值越小代表記錄越靠前。細(xì)心的同學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)，上圖中的用戶記錄heap_no值是從2開(kāi)始的，那0和1呢？不說(shuō)你也肯定猜到了，就是被Infimum和Supremum占用了。Infimum和Supremum的heap_no值分別是0和1，它倆在所有用戶記錄的最前面。

Infimum和Supremum結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，和用戶記錄一樣也有頭信息，真實(shí)數(shù)據(jù)部分是固定的字符串，如下圖所示：

我們把這兩條虛擬記錄也加入到記錄里面，完整的結(jié)構(gòu)就是下面這樣的：

Supremum記錄的next_record屬性為0，代表它已經(jīng)沒(méi)有下一條記錄了。

2.5 Page Directory

Free Space沒(méi)什么好說(shuō)的，就是一塊未被使用的空閑空間。

Page Directory也叫作「頁(yè)目錄」，它的目的是提高頁(yè)內(nèi)記錄的檢索效率。相較于一張表幾千萬(wàn)的記錄來(lái)說(shuō)，一個(gè)頁(yè)內(nèi)幾百上千條記錄已經(jīng)是很少很少了?？杉幢闳绱耍灿袔装偕锨l啊，如果頁(yè)內(nèi)檢索記錄只能挨個(gè)遍歷的話，那也太低效了。別忘了，頁(yè)內(nèi)的記錄是根據(jù)索引值排好序的，我們可以巧用「二分法」來(lái)快速查找。

具體做法是：將頁(yè)內(nèi)所有非刪除的記錄劃分為N個(gè)組，每個(gè)組里最后一條記錄(即主鍵最大的記錄)稱作“大哥”，其余記錄是“小弟”，“大哥”的n_owned屬性記錄了組內(nèi)的記錄數(shù)量。將“大哥”在頁(yè)內(nèi)的地址偏移量提取出來(lái)，按順序依次從File Trailer部分往前寫，每個(gè)地址偏移量占用2字節(jié)，稱作一個(gè)「槽」，Page Directory就是由這些槽構(gòu)成的。
InnoDB對(duì)于分組內(nèi)的記錄數(shù)量有一些規(guī)定：

• Infimum記錄所在分組，只能有一條記錄。
• Supremum記錄所在分組，允許有1~8條記錄。
• 其余分組，允許有4~8條記錄。

由此可見(jiàn)，一個(gè)組里最多有8條記錄，只要通過(guò)二分法快速定位到組，InnoDB也只需要遍歷這8條記錄，相較于遍歷頁(yè)內(nèi)所有記錄，效率要高的多。

2.6 File Trailer

File Trailer是所有頁(yè)都有的通用結(jié)構(gòu)，占用固定的8字節(jié)，它的主要作用就是為了校驗(yàn)頁(yè)的完整性。磁盤的速度實(shí)在是太慢了，InnoDB不會(huì)每次寫點(diǎn)數(shù)據(jù)都直接刷新到磁盤上，那樣MySQL會(huì)慢死。而是將頁(yè)作為刷盤的基本單位，數(shù)據(jù)修改時(shí)，先改內(nèi)存里的頁(yè)，稍后再將整個(gè)頁(yè)的數(shù)據(jù)一次性刷新到磁盤里。但是這會(huì)帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，一個(gè)頁(yè)16KB，刷到第10KB的時(shí)候磁盤斷電了怎么辦？重啟后InnoDB如何判斷磁盤里的頁(yè)數(shù)據(jù)是完整的？
?

InnoDB是這么處理的，刷盤前根據(jù)頁(yè)數(shù)據(jù)計(jì)算出一個(gè)Checksum，在頁(yè)頭和頁(yè)尾都寫一份。頁(yè)刷盤的時(shí)候，先刷頁(yè)頭再刷頁(yè)尾，當(dāng)頭尾兩個(gè)Checksum值一致的時(shí)候，代表磁盤里的頁(yè)是完整的，否則就表示頁(yè)頭刷了頁(yè)尾沒(méi)刷，那肯定是刷到一半出錯(cuò)了。

3. 總結(jié)

頁(yè)是InnoDB存取數(shù)據(jù)的基本單位，默認(rèn)頁(yè)大小是16KB，InnoDB為了不同的目的設(shè)計(jì)了很多不同類型的頁(yè)，本文重點(diǎn)分析了存放用戶記錄的索引頁(yè)。頁(yè)的頭尾部分File Header和File Trailer是所有頁(yè)都有的一個(gè)通用結(jié)構(gòu)，它們記錄了頁(yè)的一些通用狀態(tài)信息，和Checksum用來(lái)驗(yàn)證頁(yè)的完整性。Page Header是索引頁(yè)特有的結(jié)構(gòu)，它記錄了頁(yè)內(nèi)用戶記錄相關(guān)的狀態(tài)信息。User Records部分用來(lái)存放用戶記錄。另外，由于頁(yè)內(nèi)的記錄數(shù)量也不少，為了提高頁(yè)內(nèi)記錄的檢索效率，InnoDB在索引頁(yè)中加入了Page Directory，它通過(guò)將記錄分組，將組里最大的記錄的地址偏移量形成一個(gè)個(gè)槽，Page Directory就是由這些槽構(gòu)成的。檢索數(shù)據(jù)時(shí)，使用二分法快速定位到槽所在的組，就可以避免遍歷所有組的記錄了。

到此這篇關(guān)于MySQL索引頁(yè)結(jié)構(gòu)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)MySQL索引頁(yè)結(jié)構(gòu)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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