1. 前言

「頁」是InnoDB管理存儲空間的基本單位，也是內(nèi)存和磁盤交互的基本單位。也就是說，哪怕你需要1字節(jié)的數(shù)據(jù)，InnoDB也會讀取整個頁的數(shù)據(jù)，下次讀取的數(shù)據(jù)如果恰巧也在這個頁里，就能命中緩存了。寫也是一樣的，寫數(shù)據(jù)前要先把頁加載到內(nèi)存，然后在內(nèi)存中修改，該頁被記為「臟頁」，臟頁淘汰之前必須刷盤。

InnoDB有很多類型的頁，它們的用處也各不相同。比如：有存放undo日志的頁、有存放INODE信息的頁、有存放Change Buffer信息的頁、存放用戶記錄數(shù)據(jù)的頁等等。今天我們要聊的，就是最基礎(chǔ)也是最重要的，存放用戶記錄數(shù)據(jù)的「索引頁」。

2. 索引頁結(jié)構(gòu)

InnoDB默認(rèn)的頁大小是16KB，在初始化表空間之前可以在配置文件中進(jìn)行配置，一旦初始化完成就不可再變更了。查看頁大小的命令如下，顯示的是字節(jié)數(shù)。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';

索引頁結(jié)構(gòu)如下圖所示：

索引頁由七部分組成，其中Infimum和Supremum也屬于記錄，只不過是虛擬記錄，這里為了與用戶記錄區(qū)分開，還是決定將兩者拆開。

2.1 File Header

File Header是所有頁都有的一個通用的結(jié)構(gòu)，占用固定的38字節(jié)，它記錄了頁的一些通用的狀態(tài)信息，例如：頁的頁號、Checksum、把頁串聯(lián)成雙向鏈表的指針、頁的類型等等。

FIL_PAGE_SPACE_OR_CHECKSUM

基于當(dāng)前頁計算出的校驗(yàn)和(Checksum)，可以把它看作是哈希值，校驗(yàn)和不同，則兩個頁數(shù)據(jù)肯定不同。它的作用是InnoDB在臟頁刷盤時，有可能會遇到頁刷到一半斷電的情況，頁的頭和尾部分分別記錄校驗(yàn)和，只有當(dāng)頭尾的校驗(yàn)和一致的時候，才代表磁盤上的頁是完整的，否則就是一個損壞的頁。

FIL_PAGE_OFFSET

頁號，頁的唯一標(biāo)識，全局遞增的數(shù)字，InnoDB通過頁號來定位唯一的一個頁。4字節(jié)存儲，意味著一個表空間最多可以有232個頁，按照一個頁16KB計算，則一個表空間最多支持64TB的數(shù)據(jù)。

FIL_PAGE_PREV & FIL_PAGE_NEXT

一個頁大小才16KB，一張表數(shù)據(jù)其實(shí)是由N多個頁構(gòu)成的，頁與頁之間在物理上可以是不連續(xù)的，但是邏輯上要連續(xù)，F(xiàn)IL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT分別指向當(dāng)前頁的上一個頁和下一個頁的頁號，通過這兩個指針將索引頁串聯(lián)成了一個雙向鏈表。記錄與記錄之間是單向的，頁與頁之間是雙向的！

FIL_PAGE_LSN

頁面最后被修改時，對應(yīng)的LSN值。LSN的全稱是Log Sequence Number，日志序列號。它是一個遞增的數(shù)字，和事務(wù)相關(guān)，這里不作贅述。

FIL_PAGE_TYPE

當(dāng)前頁的類型，InnoDB為了不同的目的設(shè)計了很多不同類型的頁，索引頁的固定值是0x45BF。

FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN

僅在第1個頁中使用，用來判斷數(shù)據(jù)庫是正常關(guān)閉還是異常宕機(jī)。

FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID

僅記錄當(dāng)前頁數(shù)據(jù)哪個表空間。

2.2 Page Header

Page Header是索引頁特有的結(jié)構(gòu)，占用固定的56字節(jié)，它記錄了索引頁中記錄相關(guān)的狀態(tài)信息。

不用每個屬性都了解，我們挑幾個比較重要的看看。

PAGE_N_DlR_SLOTS

一個頁內(nèi)可能有上千條記錄，挨個遍歷的話效率太慢了。為了提高頁內(nèi)記錄的檢索效率，InnoDB將頁內(nèi)的記錄劃分為多個組，組里最大的那條記錄相較于頁的地址偏移量會記錄到「Page Directory」部分，每個組都對應(yīng)一個槽，槽的大小是固定的2字節(jié)。該屬性記錄的就是頁內(nèi)槽的數(shù)量。

PAGE_HEAP_TOP

Free Space的起始位置，它是User Records和Free Space分界點(diǎn)。一個全新的頁一開始是沒有User Records部分的，每插入一條記錄，都要向Free Space申請空間，F(xiàn)ree Space耗盡就代表頁滿了。

PAGE_FREE

DELETE命令刪除記錄時，InnoDB并不會真的將記錄從磁盤中刪除，而是在記錄的頭信息里打個標(biāo)記，然后將其加入到「垃圾鏈表」中。PAGE_FREE指向的就是垃圾鏈表的表頭記錄。后面刪除的記錄，也會自動加入到鏈表里。

PAGE_DIRECTION & PAGE_N_DIRECTION

PAGE_DIRECTION表示最后一條記錄插入的方向，比上一條記錄值大則記為右邊，反之則是左邊。PAGE_N_DIRECTION表示同一方向連續(xù)插入的記錄數(shù)，方向變了該值就會重置。

PAGE_LEVEL

InnoDB組織數(shù)據(jù)的形式就是B+樹，樹中的節(jié)點(diǎn)就是索引頁，PAGE_LEVEL代表當(dāng)前頁在B+樹中所處的層級。InnoDB規(guī)定，葉子節(jié)點(diǎn)層級為0，然后向上遞增。

2.3 User Records

Infimum和Supremum也屬于記錄，只是為了與用戶記錄區(qū)分開才劃分成了兩部分，我們先看User Records。

用戶記錄存放在User Records部分，一個全新的頁一開始全是Free Space，是沒有User Records部分的。每插入一條記錄都需要到Free Space申請一塊空間，并將其劃分到User Records用來存放用戶記錄。當(dāng)Free Space耗盡也就代表當(dāng)前頁已經(jīng)用完了，再有新記錄需要插入，就需要申請一個新的頁了。

還記得MySQL的行格式嗎？它決定了記錄在磁盤里的存儲格式。以COMPACT為例，存儲格式如下圖：

記錄頭信息里的字段比較關(guān)鍵，以防大家忘記，我這里再貼一下：

記錄頭信息的最后2字節(jié)用來連接下一條記錄，將頁內(nèi)所有記錄串聯(lián)成一個單向鏈表。所以我們隱藏變長字段長度列表和NULL值列表，記錄的格式應(yīng)該是這樣的：

記錄是怎么排序的？
我們已經(jīng)知道，頁內(nèi)的記錄會自動串聯(lián)成一個單向鏈表。那這個鏈表的編排順序是什么呢？是按照記錄的插入時間排序的嗎？其實(shí)不是的，如果表有主鍵，會根據(jù)主鍵排序；沒主鍵有唯一非空索引，會根據(jù)該索引排序；兩者都沒有，InnoDB會自動生成一個row_id列并根據(jù)該列進(jìn)行排序。

若無特殊說明，本文均假定表有主鍵。

2.4 Infimum & Supremum

Infimum和Supremum是索引頁內(nèi)的兩條虛擬記錄，InnoDB規(guī)定所有索引頁都會有這兩條記錄，而且所有的用戶記錄都比Infimum大，都比Supremum小。
記錄頭信息里的heap_no代表記錄在堆里的相對位置，該值越小代表記錄越靠前。細(xì)心的同學(xué)會發(fā)現(xiàn)，上圖中的用戶記錄heap_no值是從2開始的，那0和1呢？不說你也肯定猜到了，就是被Infimum和Supremum占用了。Infimum和Supremum的heap_no值分別是0和1，它倆在所有用戶記錄的最前面。

Infimum和Supremum結(jié)構(gòu)非常的簡單，和用戶記錄一樣也有頭信息，真實(shí)數(shù)據(jù)部分是固定的字符串，如下圖所示：

我們把這兩條虛擬記錄也加入到記錄里面，完整的結(jié)構(gòu)就是下面這樣的：

Supremum記錄的next_record屬性為0，代表它已經(jīng)沒有下一條記錄了。

2.5 Page Directory

Free Space沒什么好說的，就是一塊未被使用的空閑空間。

Page Directory也叫作「頁目錄」，它的目的是提高頁內(nèi)記錄的檢索效率。相較于一張表幾千萬的記錄來說，一個頁內(nèi)幾百上千條記錄已經(jīng)是很少很少了?？杉幢闳绱?，它也有幾百上千條啊，如果頁內(nèi)檢索記錄只能挨個遍歷的話，那也太低效了。別忘了，頁內(nèi)的記錄是根據(jù)索引值排好序的，我們可以巧用「二分法」來快速查找。

具體做法是：將頁內(nèi)所有非刪除的記錄劃分為N個組，每個組里最后一條記錄(即主鍵最大的記錄)稱作“大哥”，其余記錄是“小弟”，“大哥”的n_owned屬性記錄了組內(nèi)的記錄數(shù)量。將“大哥”在頁內(nèi)的地址偏移量提取出來，按順序依次從File Trailer部分往前寫，每個地址偏移量占用2字節(jié)，稱作一個「槽」，Page Directory就是由這些槽構(gòu)成的。
InnoDB對于分組內(nèi)的記錄數(shù)量有一些規(guī)定：

• Infimum記錄所在分組，只能有一條記錄。
• Supremum記錄所在分組，允許有1~8條記錄。
• 其余分組，允許有4~8條記錄。

由此可見，一個組里最多有8條記錄，只要通過二分法快速定位到組，InnoDB也只需要遍歷這8條記錄，相較于遍歷頁內(nèi)所有記錄，效率要高的多。

2.6 File Trailer

File Trailer是所有頁都有的通用結(jié)構(gòu)，占用固定的8字節(jié)，它的主要作用就是為了校驗(yàn)頁的完整性。磁盤的速度實(shí)在是太慢了，InnoDB不會每次寫點(diǎn)數(shù)據(jù)都直接刷新到磁盤上，那樣MySQL會慢死。而是將頁作為刷盤的基本單位，數(shù)據(jù)修改時，先改內(nèi)存里的頁，稍后再將整個頁的數(shù)據(jù)一次性刷新到磁盤里。但是這會帶來一個問題，一個頁16KB，刷到第10KB的時候磁盤斷電了怎么辦？重啟后InnoDB如何判斷磁盤里的頁數(shù)據(jù)是完整的？
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InnoDB是這么處理的，刷盤前根據(jù)頁數(shù)據(jù)計算出一個Checksum，在頁頭和頁尾都寫一份。頁刷盤的時候，先刷頁頭再刷頁尾，當(dāng)頭尾兩個Checksum值一致的時候，代表磁盤里的頁是完整的，否則就表示頁頭刷了頁尾沒刷，那肯定是刷到一半出錯了。

3. 總結(jié)

頁是InnoDB存取數(shù)據(jù)的基本單位，默認(rèn)頁大小是16KB，InnoDB為了不同的目的設(shè)計了很多不同類型的頁，本文重點(diǎn)分析了存放用戶記錄的索引頁。頁的頭尾部分File Header和File Trailer是所有頁都有的一個通用結(jié)構(gòu)，它們記錄了頁的一些通用狀態(tài)信息，和Checksum用來驗(yàn)證頁的完整性。Page Header是索引頁特有的結(jié)構(gòu)，它記錄了頁內(nèi)用戶記錄相關(guān)的狀態(tài)信息。User Records部分用來存放用戶記錄。另外，由于頁內(nèi)的記錄數(shù)量也不少，為了提高頁內(nèi)記錄的檢索效率，InnoDB在索引頁中加入了Page Directory，它通過將記錄分組，將組里最大的記錄的地址偏移量形成一個個槽，Page Directory就是由這些槽構(gòu)成的。檢索數(shù)據(jù)時，使用二分法快速定位到槽所在的組，就可以避免遍歷所有組的記錄了。

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