【MySQL】InnoDB的存储结构

InnoDB的存储结构：每个表都会生成一个表空间文件，这个文件里面最小结构就是行，存储的真正的数据，一个页来管理若干行，一个区来管理若干页，一个区组来管理若干区。段并不是真正的物理存储结构，它只是把这些数据结构划分成两部分（B+树的叶子节点和非叶子节点）。

行

真实的数据在表空间是以行的形式存储。

结构

行结构如下图所示：

真实数据部分

主键值：

如果表中定义了主键，就直接存储主键的值。

如果还有复合主键，则按照顺序一块存在主键值中。

如果没有定义主键，优先使用第一个不为空且是唯一的字段作为主键。

如果没有不为空且唯一的字段，就使用DB_ROW_ID作为主键，这个大小为6字节。

DB_TX_ID：

记录创建或最后一次修改该行数据的事务ID。

DB_ROLL_PTR：

如果在事务中这条记录被修改，这个回滚指针指向上一个版本。

其他数据：

这些非空数据从左往右依次存储。

额外信息

头信息：

下一行偏移量：通过这个把所有的行链接形成一个单向链表。
行类型：
- 普通数据行
- 索引目录行
- 页内最小行(页是组织行的数据结构)
- 页内最大行
行在页内的位置
目录组内行数：如果该行是组内最后一行，那么这个才有值
非叶子节点最小行标记：如果当前行是索引目录行并且也是B+索引数某层的最小值，那么这个就置为1
删除标记：删除行数据就是改变一下删除标志。
预留信息

Null值列表：

使用位图的思想来存：在可以为空的列中，如果为空，就为1。这样就不用给空列留位置了。

变长字段长度列表：

记录表中所有可变长度(varchar、varbinary、text、blob) 的字段的实际长度（字节数）。这样在真实存的时候，就可以把列与列之间划分开来。

不同的字符编码下一个字符所占的字节大小不一样。

可以看到，最大的一个字符占4字节，最小的占1字节。所以2字节最大表示的数值的2^16=65536。65536/4 = 16384。也就是varchar长度的最大值。

当实际字节数 n (字符个数 × 单个字符所占字节) 不超过一个 字节能记录的大小 - 1（128-1=127），就用一个字节来记录。超过一个就用两个。也就是 n > 127 用两个否则用 1个。

但是读取的时候是如何知道，要读一个字节还是两个呢。

首先先读最高位，如果为1，就在往前读一个字节，就是两个字节来表示长度

如果为0，就是一个字节来表示长度。

当可变类型是text、blob时，直接把这个列放入“溢出页”的独立表空间中，用20个字节来标记其位置。

行格式

上面结构中存储字段的策略就是动态格式(Dynamic)。也是默认选择的。

查看行格式

show variables like "innodb_default_row_format";

show table status in 数据库名\G

设定行格式

# 通过全局变量设置
SET GLOBAL innodb_default_row_format=DYNAMIC;
# 在创建表时明确的指定⾏格式
CREATE TABLE t1 (c1 INT) ROW_FORMAT=DYNAMIC;

冗余格式(Redundant)
已被淘汰，存在仅为了与旧版本 MySQL 兼容，不建议使用，这里不再讨论。

压缩格式(Compressed)
行结构与 DYNAMIC 完全相同，只是会对数据进行压缩，以减少对空间的占用。

紧凑格式(Compact)
在结构上与 DYNAMIC 相同，但在处理超长字段时有所不同。它不会把所有超长数据都放在溢出页中，而是会在本行中保留前768个字节的数据，多出的部分放在溢出页中。溢出页的地址额外使用20个字节表示。因此，在本行的列中会占用768 + 20个字节。

页

MySQL中的“页”是一个应用层的概念，是MySQL根据自身的应用场景定义的一种数据结构。通常，在操作系统的文件系统中，管理磁盘文件时以4KB大小为一个管理单元，称为“数据块”。但在数据库的应用场景中，查询的数据量通常较大。如果也使用4KB作为最小的数据存储单元，可能会显得太小，同时也会导致频繁的磁盘I/O操作，从而降低效率。因此，MySQL根据自身情况定义了大小为16KB的“页”作为磁盘管理的最小单位。

show variables like "innodb_page_size";

修改的化必须得是4KB的整数倍

每次内存与磁盘的交互至少读取一个“页”。因此，在磁盘中，每个“页”内部的地址是连续的。这种设计是根据局部性原理而来：在数据使用过程中，未来可能会使用的数据与当前访问的数据在空间上是临近的。因此，当从磁盘读取一个页的数据放入内存中后，如果下次查询的数据仍在这个页中，就可以直接从内存中读取，从而减少磁盘I/O操作，提高性能。

结构

页是由页头+若干数据行+页尾构成。

页头

校验和：FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM，用于页的完整性校验。

页号：FIL_PAGE_OFFSET 占用 4Byte，相当于 InnoDB 表中最多可以拥有 2^(4*8)-1 约 42 亿个。分别是1，2，3…依此类推，按照每页16KB 大小计算，一个表空间最大容量为 2^(4*8) * 16KB = 64TB，这也是 InnoDB 表空间最大容量是 64TB 的原因。

上一个页页号：FIL_PAGE_PREV
下一个页页号：FIL_PAGE_NEXT 多个页通过这两个信息组成双向链表，即使不同的页地址不连续，也可以通过链表连接。

表空间ID：FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID，当前页属于哪个表空间。

页类型：FIL_PAGE_TYPE，数据页对应的页类型是 FIL_PAGE_INDEX = 0x45BF。

最近一次修改的LSN：FIL_PAGE_LSN，占用 8Byte。

LSN（Log Sequence Number）是“日志序列号”的缩写，表示日志中记录的操作对应的时间点，使用一个任意的、不断增加的值来表示。LSN使用8字节的无符号长整型表示。

已被刷到磁盘的LSN：FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN，占用 8Byte。

页尾

最近一次修改的LSN：与页头中的意义相同

校验和：与页头中的意义相同

页的初始化

当创建表的时候，不知道表的数量级，所以为了节省空间，刚开始只创建 7个初始页（MySQL5.7是6个）

select * frominformation_schema.INNODB_TABLESPACES where name = '数据库/数据表'\G

这些零散的页会放在表空间中的碎片区，当碎片区达到32个页之后，后续如果还要申请空间，就会申请32个页，这32个页就是区，用来管理页的数据结构。

区

管理页的数据结构就是区。

结构

一个区管理32个页，刚好1M。

使用区的原因

在一个区中，如果是相邻页，磁盘是顺序I/O的，这样读取会很快。
在一个区中，如果不是相邻页，可以大幅减少磁头移动，读取也是较快。
在不同区中，无法提升读取速度。所以要使用区组。
如果频繁访问某个区中的页，可以把整个区都取出来放到内存中，减少后续可能的读取操作。

区组

区组是管理区的数据结构。

结构

一个区组管理256个区，其中第一个区组存的信息和其他的略有不同。

第一个区组

第一个区组中的第一个区的前四页比较特殊，也就是页初始化时候的前四页。

File Space Header（文件空间头）：这一页存储了关于表空间和区组中各个区的元数据信息。它记录了表空间的状态、大小、分配情况以及每个区的使用信息。这对于InnoDB来说是管理磁盘空间和执行一些管理操作非常重要的信息。
Insert Buffer Bitmap（插入缓冲位图）：插入缓冲是InnoDB用来加速对辅助索引的更新操作的一种机制。这个页存储了与插入缓冲相关的位图信息，用于跟踪哪些页在插入缓冲中。这有助于优化并发插入操作的性能（change buffer区域相关）。
File Segment inode（文件段inode）：段inode页记录了关于InnoDB文件段（通常是表空间文件）的详细信息，包括段的位置、大小和其他管理信息。这些信息对于InnoDB存储引擎的存储和管理操作至关重要。
B-tree Node（B树节点）：这个页存储了InnoDB中各种B+树索引的根节点信息。根节点是索引结构的起始点，包含了指向整个B+树的其它节点和叶子节点的指针。这使得InnoDB能够高效地查找和操作索引数据

其他闲置的页用来存放真实的数据。

其他的区组

其他区组的第一个区的前两个页都是一样的。

Extent Descriptor(XDES)：区组条目信息：记录每个区的偏移并用双向链表连接
Insert Buffer Bitmap

其他闲置的页用来存放真实的数据。

段

上面的行、页、区和区组都是物理结构来存储数据的，而段并非是物理结构的存储。段的主要作用是区分不同功能的区以及在碎片区中的页。主要分为两类：叶子节点段和非叶子节点段，这两个段对应于B+树索引结构中的叶子和非叶子节点。

表空间

表空间可以理解为MySQL为了管理数据而设计的一种数据结构，主要描述了数据结构的定义。表空间文件是这一定义的具体实现，以文件的形式存在于磁盘上。

表空间文件是用来存储表中数据的文件，其大小取决于存储的数据量。在MySQL中，表空间分为五类：

系统表空间
独立表空间
通用表空间
临时表空间
撤销表空间

每种表空间类型用于不同的数据存储和管理目的，在MySQL的数据库架构中，它们各自承担着特定的角色和功能。

当使用InnoDB存储引擎创建一个表时，默认会在数据目录对应的数据库子目录中生成相应的表空间文件，以 `.ibd` 为文件的后缀，用来存储数据和索引。如果每个表都对应一个表空间文件，这称为独立表空间。在MySQL 5.7及以后的版本中，默认每个表都会生成独立表空间。可以通过系统变量 `innodb_file_per_table` 控制这一行为。当这个选项被关闭时，所有表的数据将存储在系统表空间中。