MySQL提升筆記（4）InnoDB儲存結構

三分惡發表於2021-04-19

MySql筆記

這一節本來計劃開始索引的學習，但是在InnoDB儲存引擎的索引裡，存在一些資料儲存結構的概念，這一節先了解一下InnodDB的邏輯儲存結構，為索引的學習打好基礎。

從InnoDB儲存引擎的儲存結構看，所有資料都被邏輯地放在一個空間中，稱之為表空間（tablespace）、區（extent）、頁（page）組成，頁在一些文件中也被稱之為塊（block）。

1、InnoDB邏輯儲存結構

InnoDB儲存引擎的邏輯儲存結構大致如圖：

InnoDB邏輯儲存結構

這張圖更清晰地展示了這些空間的包含關係：

innodb_tablespace

1.1、表空間（Tablespace）

表空間可以看做InnoDB邏輯結構的最高層，所有的資料都放在表空間中。

在預設情況下，InnoDB儲存引擎都有一個共享表空間ibdata1，即所有資料都存放在這個表空間內。如果使用者啟用了引數innodb_file_per_table，則每張表內的資料可以單獨放到一個表空間內。

如果啟用了innodb_file_per_table引數，也需要注意，每張表的表空間存放的只是資料、索引和插入緩衝Bitmap頁，其它類的資料，如回滾（undo）資訊，插入緩衝索引頁、系統事務資訊，二次寫緩衝等還是存放在原來的共享表空間內。

1.2、段（Segment）

表空間是由各個段組成的，常見的段有資料段、索引段、回滾段等。

InnoDB儲存引擎表是索引組織（index organized）的，因此資料即索引，索引即資料。那麼資料段即為B+樹的葉子節點（Leaf node segment），索引段即為B+樹的非索引節點（Non-leaf node segment），這些內容在後面的索引學習裡會詳細介紹。

1.3、區（extend）

區是由連續頁組成的空間，在任何情況下每個區的大小都為1MB。為了保證區中頁的連續性，InonoDB儲存引擎一次從磁碟申請4-5個區。在預設情況下，InnoDB儲存引擎的頁的大小為16KB，即一個區中應有64個連續的頁。

InnoDB1.0.x版本開始引入壓縮頁，每個頁的大小可以通過引數KEY_BLOCK_SIZE設定為2K、4K、8K，因此每個區對應的頁尾512、256、128.

InnoDB1.2.x版本新增了引數innodb_page_size，通過該引數可以將預設頁的大小設定為4K、8K，但是頁中的資料不是壓縮的。

但是有時候為了節約磁碟容量的開銷，建立表預設大小是96KB，區中是64個連續的頁。（對於一些小表）

1.4、頁（page）

頁是InnoDB儲存引擎磁碟管理的最小單位，每個頁預設16KB；InnoDB儲存引擎從1.2.x版本開始，可以通過引數innodb_page_size將頁的大小設定為4K、8K、16K。

若設定完成，則所有表中頁的大小都為innodb_page_size，不可以再次對其進行修改，除非通過mysqldump匯入和匯出操作來產生新的庫。

innoDB儲存引擎中，常見的頁型別有：

✅ 資料頁（B-tree Node)

✅ undo頁（undo Log Page）

✅ 系統頁（System Page）

✅ 事務資料頁（Transaction System Page）

✅ 插入緩衝點陣圖頁（Insert Buffer Bitmap）

✅ 插入緩衝空閒列表頁（Insert Buffer Free List）

✅ 未壓縮的二進位制大物件頁（Uncompressed BLOB Page）

✅ 壓縮的二進位制大物件頁（compressed BLOB Page）

1.5、行（row）

InnoDB儲存引擎是面向行的（row-oriented)，也就是說資料是按行進行存放的，每個頁存放的行記錄也是有硬性定義的，最多允許存放16KB/2-200，即7992行記錄。

2、InnoDB 行記錄格式

InnoDB 儲存引擎和大多數資料庫一樣（如 Oracle 和 Microsoft SQL Server 資料庫），記錄是以行的形式儲存的。這意味著頁中儲存著表中一行行的資料。在 InnoDB 1.0x 版本之前，InnoDB 儲存引擎提供了 Compact 和 Redundant 兩種格式來存放行記錄資料，這也是目前使用最多的一種格式。

2.1、Compact 行記錄格式

Compact 行記錄是在 MySQL 5.0 中引人的，其設計目標是髙效地儲存資料。簡單來說,一個頁中存放的行資料越多，其效能就越髙。

下圖顯示了 Compact 行記錄的儲存方式：

Compact 行記錄

Compact 行記錄格式的首部是一個非 NULL 變長欄位長度列表，並且其是按照列的順序逆序放置的，其長度為：

若列的長度小於 255 位元組，用 1 位元組表示；
若大於 255 個位元組，用2 位元組表示。

變長欄位的長度最大不可以超過 2 位元組，這是因在 MySQL 資料庫中 VARCHAR 型別的最大長度限制為 65535。變長欄位之後的第二個部分是 NULL 標誌位，該位指示了該行資料中是否有 NULL 值，有則用 1 表示。

接下來的部分是記錄頭資訊（record header)，固定佔用5 位元組（40 位)。每位含義見表：

名稱	大小（bit）	描述
()	1	未知
()	1	未知
deleted_flag	1	該行是否已被刪除
min_rec_flag	1	如果該行記錄是預定義為最小的記錄，為1
n_owned	4	該記錄擁有的記錄數，用於`Slot`
heap_no	13	索引堆中該條記錄的索引號
record_type	3	記錄型別，000（普通），001（B+Tree節點指標），010（Infimum），011（Supremum）
next_record	16	頁中下一條記錄的相對位置
Total	`40(5Byte)`	nothing

最後的部分就是實際儲存每個列的資料。

需要特別注意的是，NULL 不佔該部分任何空間，即 NULL 除了佔有 NULL 標誌位，實際儲存不佔有任何空間。另外有一點需要注意的是，每行資料除了使用者定義的列外，還有兩個隱藏列，事務 1D 列和回滾指標列,分別為 6 位元組和 7 位元組的大小。若 InnoDB 表沒有定義主鍵，每行還會增加一個 6 位元組的 rowid 列。

Redundant 是 MySQL 5 . 0 版本之前 InnoDB 的行記錄存儲方式，這裡就不展開。

2.2、行溢位資料

InnoDB 儲存引擎可以將一條記錄中的某些資料儲存在真正的資料頁之外。因為一般資料頁預設大小為16KB，假如一個資料頁儲存不了插入的資料，這時肯定就會發生行溢位。

行資料溢位

一般認為 BLOB、LOB 這類的大物件列型別的儲存會把資料存放在資料頁之外。但是，BLOB 也可以不將資料放在溢位頁面，而且即便是 VARCHAR 列資料型別，依然有可能被存放為行溢位資料。

3、InnoDB 資料頁結構

頁是 InnoDB 儲存引擎管理資料庫最小磁碟單位。頁型別為 B-tree Node 的頁存放的即是表中行的實際資料了。

InnoDB 資料頁由以下 7 個部分組成:

File Header (檔案頭）
Page Header (頁頭）
Infimun 和 Supremum Records
User Records (使用者記錄，即行記錄）
Free Space (空閒空間）
Page Directory (頁目錄）
File Trailer (檔案結尾資訊）

InnoDB 儲存引擎資料頁結構

其中 File Header、Page Header、File Trailer的大小是固定的, 分別為 38、56、8 位元組，這些空間用來標記該頁的一些資訊，如 Checksum, 資料頁所在 B+ 樹索引的層數等。User Records、Free Space、Page Directory 這些部分為實際的行記錄儲存空間，因此大小是動態的。