【InnoDB 存储引擎】InnoDB 数据页格式（详细版，数据页格式对于理解索引详细的原理很重要）

news2024/11/25 9:27:16

文章目录

  • 1 InnoDB 数据页结构
    • 1.1 File Header
    • 2.2 Page Header
    • 2.3 Infimum 和 Supremum Record
    • 2.4 User Record 和 Free Space
    • 2.5 Page Directory（InnoDB 数据页结构最重要的部分）
    • 2.6 File Trailer
  • 2 参考资料

1 InnoDB 数据页结构

我们已经知道页是 InnoDB 存储引擎管理数据库的最小磁盘单位。页类型为 B-tree Node 的页存放的即是表中行的实际数据了。在这一节

中，我们将从底层具体地介绍 InnoDB 数据页的内部存储结构

InnoDB 数据页由以下7个部分组成：

  • File Header （文件头）
  • Page Header （页头）
  • Infimun 和 Supremum Records
  • User Records （用户记录，即行记录）
  • Free Space （空闲空间）
  • Page Directory （页目录）
  • File Trailer （文件结尾信息）

其中 File Header、 Page Header、File Trailer 的大小是固定的，分别为 38、56、8 字节，这些空间用来标记该页的一些信息，如Checksum，数据页所在B+树索引的层数等。User Records、Free Space、Page Directory这些部分为实际的行记录存储空间，因此大小是动态的。在接下来的各小节中将具体分析各组成部分

1.1 File Header

File Header用来记录页的一些头信息，由下表中的8个部分组成，共占用38字节。

名称大小（字节）说明
FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM4该值代表页的checksum值
FIL_PAGE_OFFSET4表空间中页的偏移位。如某独立表空间a.ibd的大小为1GB，如果页的大小为16KB，那么总共有65536个页。FIL_PAGE_OFFSET表示该页在所有页中的位置。若此表空间的ID为10，那么搜索页(10,1)就表示查找表a中的第二个页
FIL_PAGE_PREV4当前页的上一个页，B+ Tree特性决定了叶子节点必须是双向列表
FIL_PAGE_NEXT4当前页的下一个页，B+Tree特性决定了叶子节点必须是双向列表
FIL_PAGE_LSN8该值代表该页最后被修改的日志序列位置LSN (Log Sequence Number)
FIL_PAGE_TYPE2InnoDB存储引擎页的类型，记住0x45BF，该值代表了存放的是数据页，即实际行记录的存储空间
FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN8该值仅在系统表空间的一个页中定义
FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID4该值代表页属于哪个表空间

以从某 ibd 文件捞出来的 File Header 举例如下：

// 用[]框出来范围
3073 0000c000  [87 b8 54 b1 00 00 00 03  ff ff ff ff ff ff ff ff  |..T.............|
3074 0000c010  00 00 00 00 00 2d 8e d7  45 bf 00 00 00 00 00 00  |.....-..E.......|
3075 0000c020  00 00 00 00 00 27] 00 1a  0d c0 80 66 00 00 00 00  |.....'.....f....|

  • FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM

    87 b8 54 b1

  • FIL_PAGE_OFFSE

    00 00 00 03

    偏移量是3说明是表空间的低4页

  • FIL_PAGE_PREV

    ff ff ff ff

  • FIL_PAGE_NEXT

    ff ff ff ff

  • FIL_PAGE_LSN

    00 00 00 00 00 2d 8e d7

  • FIL_PAGE_TYPE

    45 bf

    表明是数据页

  • FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN

    00 00 00 00 00 00 00 00

  • FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID

    00 00 00 27

2.2 Page Header

接着 File Header 部分的是 Page Header，该部分用来记录数据页的状态信息，由14个部分组成，共占用56字节，如下表所示

名称大小（字节）说明
PAGE_N_DIR_SLOTS2在 Page Directory （页目录）中的 Slot （槽）数。后文重点介绍
PAGE_HEAP_TOP2堆中第一个记录的指针，记录在页中是根据堆的形式存放的
PAGE_N_HEAP2堆中的记录数。一共占用2字节，但是第15位指示行记录格式
PAGE_FREE2指向可重用空间的首指针
PAGE_GARBAGE2已删除记录的字节数，即行记录结构中delete flag为1的记录大小的总数
PAGE_LAST_INSERT2最后插入记录的位置
PAGE_DJRECTION2最后插入的方向。
PAGE_N_DIRECTION2一个方向连续插入记录的数量
PAGE_N_RECS2该页中记录的数量
PAGE_MAX_TRX_ID8修改当前页的最大事务ID,注意该值仅在Secondary Index中定义
PAGE_LEVEL2当前页在索引树中的位置，0x00代表叶节点，即叶节点总是在第0层
PAGE_INDEX_ID8索引ID,表示当前页属于哪个索引
PAGE_BTR_SEG_LEAF10B+树数据页非叶节点所在段的segment header。注意该值仅在B+树的Root页中定义
PAGE_BTR_SEG_TOP10B+树数据页所在段的segment header。注意该值仅在B+树的Root页中定义

2.3 Infimum 和 Supremum Record

这个记录还挺重要的

在InnoDB存储引擎中，每个数据页中有两个虚拟的行记录，用来限定记录的边界。Infimum记录是比该页中任何主键值都要小的值，Supremum指比任何可能大的值还要大的值。这两个值在页创建时被建立，并且在任何情况下不会被删除。在Compact行格式和Redundant行格式下，两者占用的字节数各不相同

2.4 User Record 和 Free Space

User Record就是之前讨论过的部分，即实际存储行记录的内容。再次强调，InnoDB存储引擎表总是B+树索引组织的。Free Space很明显指的就是空闲空间，同样也是个链表数据结构。在一条记录被删除后，该空间会被加入到空闲链表中。

2.5 Page Directory（InnoDB 数据页结构最重要的部分）

Page Directory （页目录）中存放了记录的相对位置（注意，这里存放的是页相对位置，而不是偏移量），

在InnoDB中并不是每个记录拥有一个槽，InnoDB存储引擎的槽是一个稀疏目录（sparse directory）,即一个槽中可能包含多个记录。伪记录Intimum的n owned值总是为1,记录Supremum的n owned的取值范围为［1, 8 ]，其他用户记录n_owned的取值范围为［4, 8］。当记录被插入或删除时需要对槽进行分裂或平衡的维护操作。

在Slots中记录按照索引键值顺序存放，这样可以利用二叉查找迅速找到记录的指针。假设有（‘i’, ‘d’, ‘c’, ‘b’, ‘e’, ‘g’, ‘l’. ‘h’, ‘f’, ‘j’, ‘k’, ‘a’），同时假设一个槽中包含4条记录，则Slots中的记录可能是：（‘a’, ‘e’, ‘i’）。

由于在InnoDB存储引擎中Page Direcotry是稀疏目录，二叉查找的结果只是一个粗略的结果，因此InnoDB存储引擎必须通过recorder header中的next record来继续查找，相关记录。同时，Page Directory很好地解释了 recorder header中的n owned值的含义， 因为这些记录并不包括在Page Directory中。

这里的 Page Directory 与 InnoDB 行记录中的 record header 联系了起来

如何查找一条记录：

1、先在B+数中找到记录所在的页

2、把页加载入内存

3、通过 Page Directory 进行二叉查找。因为 Page Directory 是稀疏的所有只能找到大概位置。

4、在步骤3的基础上继续根据记录偏移量一行一行的查找

因为步骤3,4都是在内存中的操作，且步骤3是二分查找法，因此通常忽略这部分所消耗的时间

2.6 File Trailer

为了检测页是否已经完整地写入磁盘（如可能发生的写入过程中磁盘损坏、机器关机等），InnoDB存储引擎的页中设置了 File Trailer部分。

File Trailer只有一个FIL_PAGE_END_LSN部分，占用8字节。前4字节代表该页的checksum值，最后4字节和File Header中的FIL PAGE LSN相同。将这两个值与File Header 中的 FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM 和 FIL_PAGE_LSN 值进行比较，看 是否一致（checksum的比较需要通过InnoDB的checksum函数来进行比较，不是简单的等值比较），以此来保证页的完整性（not corrupted）

2 参考资料

书籍：《InnoDB 存储引擎》，该书电子版书籍作者无套路免费下载

InnoDB 数据页结构（实验）：我的文章：《15.6.1 InnoDB 数据页格式（数据页实验，重要）.md》

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