MySQL（高级特性篇）07章——InnoDB数据存储结构

一、数据库的存储结构：页

索引与存储：索引结构提供高效索引方式，索引信息和数据记录保存在文件的页结构中

存储引擎职责：索引在存储引擎中实现，MySQL 的存储引擎负责表中数据的读写，不同存储引擎数据存放格式一般不同，如 Memory 引擎不用磁盘存储数据

（1）磁盘与内存交互基本单位：页

1. 页的大小：InnoDB 将数据划分为页，页大小默认 16KB
2. 交互单位：页是磁盘与内存交互的基本单位，一次至少从磁盘读 16KB 内容到内存，或把内存中 16KB 内容刷新到磁盘
3. 读取方式：数据库读数据时，不论一行或多行，都加载行所在的页，页是数据库管理存储空间和 I/O 操作的基本单位，一个页可存多个行记录
4. 效率考量：记录按行存储，但不以行为读取单位，否则一次 I/O 仅处理一行数据，效率极低
5. 图示：

（2）页结构概述

InnoDB 中，页与页之间无需在物理结构上相连，通过双向链表关联即可。每个数据页内的记录按主键值从小到大组成单向链表，同时每个数据页会为其中的记录生成页目录。当通过主键查找记录时，可利用页目录进行二分法快速定位到对应的槽，再遍历该槽对应分组里的记录，从而迅速找到目标记录

（3）页的大小

1. 不同的DBMS的页大小不同。比如在MySQL的InnoDB存储引擎中，默认页的大小是16KB，我们可以通过下面的命令来进行查看：
2. SQL Server中页的大小为8KB，而在Oracle中我们用术语“块”（Block）来代表“页”，Oracle支持的块大小为2KB，4KB，8KB，16KB，32KB和64KB

（4）页的上层结构

1. 另外在数据库中，还存在着区（Extent）、段（Segment）和表空间（TableSpace）的概念。行、页、区、段、表空间的关系如下图所示：
2. 区（Extent）：是比页高一级的存储结构，InnoDB 里一个区含 64 个连续的页。因页默认 16KB，所以一个区大小为 1MB
3. 段（Segment）：由一个或多个区组成，区在文件系统中是连续存储空间（InnoDB 中为连续 64 个页），但段内区与区不要求相邻。段是数据库分配单位，不同数据库对象以不同段形式存在，创建表和索引时会分别创建表段和索引段
4. 表空间（TableSpace）：是逻辑容器，存储对象为段。一个表空间可有一个或多个段，一个段仅属一个表空间。数据库由一个或多个表空间组成，表空间管理上分为系统、用户、撤销、临时表空间等

二、页的内部结构

数据页的16KB大小的存储空间被划分为七个部分，分别是文件头部（File Header）、页面头部（Page Header）、最大最小记录（Infimum+supremum）、用户记录（User Records）、空闲空间（Free Space）、页目录（Page Directory）、文件尾部（File Trailer）

页结构的示意图如下所示：

这七个部分的作用分别如下，我们简单梳理如下表所示：

（1）第1部分：File Header（文件头部）和File Trailer（文件尾部）

2.1.1File Header（文件头部）（38字节）

1. 作用：描述各种页的通用信息（比如页的编号、其上一页、下一页是谁）
2. 大小：38字节
3. 构成：
4. FIL_PAGE_OFFSET：InnoDB 中每个页都有唯一的页号，通过页号能唯一确定一个页
5. FIL_PAGE_TYPE：这个代表当前页的类型

   类型名称	十六进制	描述
   FIL_PAGE_TYPE_ALLOCATED	0x0000	最新分配，还没有使用
   FIL_PAGE_UNDO_LOG	0x0002	Undo日志页
   FIL_PAGE_INODE	0x0003	段信息节点
   FIL_PAGE_IBUF_FREE_LIST	0x0004	Insert Buffer空闲列表
   FIL_PAGE_IBUF_BITMAP	0x0005	Insert Buffer位图
   FIL_PAGE_TYPE_SYS	0x0006	系统页
   FIL_PAGE_TYPE_TRX_SYS	0x0007	事务系统数据
   FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR	0x0008	表空间头部信息
   FIL_PAGE_TYPE_XDES	0x0009	扩展描述页
   FIL_PAGE_TYPE_BLOB	0x000A	溢出页
   FIL_PAGE_INDEX	0x45BF	索引页，也就是我们所说的数据页

6. FIL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT：InnoDB 以页为单位存储数据，若数据分散于多个不连续页，通过 FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 分别记录本页的上一页和下一页页号，构建双向链表将众多页串联，实现页在逻辑上连续而非物理上连续。
7. FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM：代表当前页面的校验和
   1. 校验和定义：对于长字节串，通过某种算法计算出一个较短的值代表它，这个短值即校验和。比较长字节串前先比较校验和，若不同则长字节串肯定不同，可节省直接比较的时间
   2. FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM 属性：文件头部和尾部都有该属性，代表当前页面的校验和
   3. 作用原理：InnoDB 以页为单位处理数据，修改后需同步到磁盘。若同步一半断电致页传输不完整，可对比文件