MySQL 数据目录和 InnoDB 表空间补充知识：详细结构

news2024/10/7 6:38:38

1. 数据目录

在Ubuntu下，MySQL的数据目录为/var/lib/mysql

1.1 数据库在文件系统中的表示

（1）创建数据库时，会在数据目录下创建一个与数据库名同名的子目录。（除了information_schema这个系统数据外）

（2）db.opt文件存储数据库的一些属性

MySQL 8.0 之后不再提供

1.2 表在文件系统中的表示

（1）表结构定义。表名.frm文件

（2）表数据

1.2.1 InnoDB

（1）系统表空间。只有一份，默认为数据目录下的ibdata1文件

（2）独立表空间；表名.ibd文件。

MySQL 8.0将ibd文件和frm文件合并，只有一个ibd文件，并且不再提供db.opt文件，其中的字符集、比较规则信息也放在ibd文件中。
存储到系统表空间中的表转移到独立表空间
ALTER TABLE 表名 TABLESPACE innodb_system
存储在独立表空间中的表转移到系统表空间
ALTER TABLE 表名 TABLESPACE innodb_file_per_table

1.2.2 MyISAM

表名.MYD、表名.MYI分别表示表的数据文件和索引文件

2. InnoDB的表空间

2.1 页面通用部分

每个页都包含了File Header和File Trailer

（1）FIL_PAGE_OFFSET表空间下描述页号，4字节，因此一个表空间最多 64TB，即 (2^32)*16KB

（2）FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 上/下页的页号，主要是数据页（INDEX 类型）使用。

（3）FIL_PAGE_TYPE据此区分页的类型

2.2 独立表空间结构

表空间划分为一个一个的区（每个 1 MB），每 256 个区组成一个组。
图9-3
（1）第一个组最开始的 3 个页面的类型是固定的。

  1. FSP_HDR：整个表空间中只有一个 FSP_HDR 类型的页面；登记表空间的一些整体属性和本组索引的区。
    图9-9
File Space Header共 112 字节
Space ID4表空间 ID
Not Used4未使用，可忽略
Size4拥有的页面数
FREE Limit4尚未被初始化的最小页号，该字段表示页号之后的区都未被使用，且没有加入到 FREE 链表中
Space Flags4页面大小，是否为共享/临时表空间等属性
FRAG_N_USED4FREE_FRAG 链表中已使用的页面数量
List Base Node for FREE list16FREE 链表基节点
List Base Node for FREE_FRAG list16FREE_FRAG 链表基节点
List Base Node for FULL_FRAG list16FULL_FRAG 链表基节点
Next Unused Segment ID8当前表空间中下一个未使用的 Segment ID，递增
List Base Node for SEG_INODES_FULL list16SEG_INODES_FULL 链表基节点
List Base Node for SEG_INODES_FREE list16SEG_INODES_FREE 链表基节点
  1. INODE：存储 INODE Entry 数据结构

每个段对应的 INODE Entry 结构会存储到 INODE 页中。段特别多的情况下。会有多个 INODE 页，会组成链表。

SEG_INODES_FULL ：在该链表中的 INODE 页没有空闲空间
SEG_INODES_FREE ：有空闲空间
图9-11
如果新建一个段时，SEG_INODES_FREE 链表为空，需要从表空间的 FREE_FRAG链表申请一个页面，并把页面的类型修改为 INODE。

（2）其余各组最开始的 2 个页面的类型是固定的。

XDES：登记本组 256 个区的属性。

2.2.1 段

一些零散页面以及一些完整区的集合

（1）为什么使用区？

一个区是连续的 64 页。在表中数据量很大时，为某个索引分配空间按照区为单位，这样就尽量让页面链表中相邻的页的物理位置也相邻。

（2）对 B+ 树的叶子节点和非叶子节点进行了区分。会生成一个叶子节点段和一个非叶子节点段（一个索引会生成两个段），段是以区为单位申请存储空间的

（3）以区为单位申请空间，对小表会造成浪费存储空间；提出了碎片区

碎片区只需于表空间，不属于任何段。

碎片区中的页可以用于不同的目的，可以属于不同段。

在刚开始向表中插入数据时，段是从碎片区的以页为单位分配存储空间的，当某个段已经占用了 32 个碎片区页面后，就会以区为单位来分配。（原先占用的碎片区的页面不会被复制到新申请的区中）

2.2.2 区

区可分为 4 种类型，这也是 4 种状态（State）

  1. FREE；空闲的区
  2. FREE_FRAG；有剩余空间页面的碎片区
  3. FULL_FRAG；没有剩余空间页面的碎片区
  4. FSEG；附属于某个段的区

前三种是独立的，直属于表空间

（1）为了方便管理区，设计每个区都对应一个 XDES Entry 的结构（40 字节）。

  1. Segment ID （8 字节）；段的 ID，前提是分配给了某个段。
  2. List Node （12 字节）；
    指向 前/后一个 XDES Entry 的指针 （Page Number + Offset）；
  3. State（4 字节）；
  4. Page State Bitmap（16 字节）；每个区有 64 页，每页用 2 位表示，表明对应的页是否是空闲。

（2）之所以 XDES Entry 要组成链表，是因为可以把状态分别为 FREE、FREE_FRAG、FULL_FRAG 的区对应的 XDES Entry 结构连接成一个 FREE、FREE_FRAG、FULL_FRAG 链表。

段中数据较少时，首先查看表空间中是否有状态为 FREE_FRAG 的区，如果有，则从该区中取下一个零散页把数据插进去；否则到表空间中申请一个状态为 FREE 的区，把该区的状态变为 FREE_FRAG ，然后从该区中取出一个零散页把数据插入进去。

该区中没有空闲页面后，将其状态变成 FULL_FRAG。

（3）段中数据已经占满了 32 个零散的页后，申请完整的区。

根据段号来区分各个段，对每个段都建立 3 个链表

  1. FREE 链表；所有页面都是空闲的区
  2. NOT_FULL 链表；仍有空闲页面的区
  3. FULL 链表；已经没有空闲页面的区

（4）链表基节点

每个链表对应一个 List Base Node 结构（16字节）

  1. List Length；表明链表一共有多少个节点；
  2. First Node Page；该链表的头结点在表空间中的位置；
  3. Last Node Page；该链表的尾结点在表空间中的位置；
2.2.3 段的结构

为每个段定义一个 INODE Entry 结构。

  1. Segment ID；对应的段的编号；
  2. NOT_FULL_N_USED；在 NOT_FULL 链表中已经使用了多少个页面；
  3. 3 个 List Base Node；分别为 FREE、NOT_FULL 、FULL 链表基节点
  4. Magic Number
  5. Fragment Array Entry；共有 32 个，每个 Fragment Array Entry 结构对应一个零散的页面，这个结构一共 4 字节，表示一个零散页面的页号。
2.2.4 Segment Header

（1）索引会对应两个段，如何知道某个索引和某个段之间的对应关系？

在数据页的 Page Header 中，属性 PAGE_BTR_SEG_LEAF 和 PAGE_BTR_SEG_TOP 仅在 B+ 树的根页中定义，分别记录了叶子/非叶节点段的头部信息（Segment Header，其中包含表空间ID，页面号，偏移量）；

2.3 系统表空间

整个 MySQL 进程只有一个系统表空间，其表空间 ID 为 0。

图9-13

页号页面类型描述
3SYS存储 Change Buffer 的头部信息
4INDEX存储 Change Buffer 的根页面
5TRX_SYS事务相关信息
6SYS第一个回滚段信息
7SYS数据字典头部信息

extent 1 和 extent 2 这两个区，是作为 Doublewrite Buffer；

2.3.1 数据字典

由系统表来记录一些元数据（某个表中有多少列，该表有哪些索引等信息）。这些系统表被称为数据字典，都是以 B+ 树的形式保存在系统表空间的某些页面中。

以下四个为基本系统表
（1）SYS_TABLES；整个 InnoDB 存储引擎中所有表的信息

列名描述
NAME表名
ID（TABLE_ID）表的 ID（每个表具有唯一的 ID）
N_COLS表中列的个数
TYPE类型，记录文件格式、行格式、压缩等信息
MIX_ID忽略
MIX_LEN额外属性
CLUSTER_ID忽略
SPACE所属表空间的 ID

以 NAME 列为主键的聚簇索引；
以 ID 列建立的二级索引；

（2）SYS_COLUMNS；所有列的信息。

列名描述
TABLE_ID该列所属表的 ID
POS表明是第几列
NAME列名
MTYPE列的数据类型（INT、CHAR等）
PRTYPE精确数据类型，修饰主数据类型的，例如是否允许 NULL 等
LEN该列最多占用的字节数
PREC精度，默认为 0

以 （TABLE_ID ，POS）列为主键的聚簇索引

（3）SYS_INDEXES；所有索引的信息。

列名描述
TABLE_ID该索引所属表的 ID
ID（INDEX_ID）索引 ID
NAME索引名
N_FIELDS索引包含几列
TYPE索引类型，例如聚簇索引、唯一二级索引、更改缓冲区的索引、全文索引、普通二级索引
SPACE索引根页面所在的表空间 ID
PAGE_NO索引根页面所在的页面号
MERGE_THRESHOLD指明 B+ 树发生合并时的比例（页面满发生分裂，数据太少发生合并）

以 （TABLE_ID ，ID）列为主键的聚簇索引

（4）SYS_FIELDS；索引对应列的信息。

列名描述
INDEX_ID该列所属索引的 ID
POS该列在索引列中是第几列
COL_NAME对应列的名称

以 （INDEX_ID，POS）列为主键的聚簇索引

（5）由页号为 7 的页面，记录了 Data Dictionary Header。记录上述 4 个表的聚簇索引和二级索引对应的 B+ 树根页面的位置。

图9-14
Max Row ID：隐藏主键的 ID 号，自增并且是全局共享的，即拥有 row_id 列的不同表之间的这个值也都是不同的。
Max Table ID：自增的表 ID 值。
之后记录了这些索引根页面的页号，对应上述 4 个表中的索引。

把数据字典信息当成一个段来分配存储空间，该段只有一个碎片页，即页号为 7 的页。

（6）information_schema 系统数据表

在存储引擎启动时读取这些 SYS 开头的系统表，然后填充到以 INNODB_SYS 开头的表中。

参考书籍

《MySQL 是怎样运行的》

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