MySQL之InnoDB存儲(chǔ)頁的獨(dú)立表空間解讀
1、背景
我們往一張表里插入的行數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在頁上的，一張頁的大小為16KB，數(shù)據(jù)量大的時(shí)候一張頁不可能存儲(chǔ)完一張表里的所有數(shù)據(jù)，所以需要多張頁來進(jìn)行存儲(chǔ)，這多張頁所在的存儲(chǔ)空間就叫表空間，表空間分為系統(tǒng)表空間和獨(dú)立表空間，接下來就講一下獨(dú)立表空間上是如何存儲(chǔ)頁的。
2、獨(dú)立表空間
【1】表空間大小
之前講過頁的組成，我們?cè)賮砜匆幌马摰耐ㄓ貌糠諪ile Header(38字節(jié)大小)的組成：
| 名稱 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM | 4 | 頁的校驗(yàn)和 |
| FIL_PAGE_OFFSET | 4 | 頁號(hào) |
| FIL_PAGE_PREV | 4 | 上一頁 |
| FIL_PAGE_NEXT | 4 | 下一頁 |
| FIL_PAGE_LSN | 8 | 頁最后被修改時(shí)對(duì)應(yīng)的日志序列位置 |
| FIL_PAGE_TYPE | 2 | 頁類型 |
| FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN | 8 | 僅在系統(tǒng)表空間的一個(gè)頁中定義，代表文件執(zhí)行被刷新到了對(duì)應(yīng)的LSN值 |
| FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID | 4 | 頁屬于哪個(gè)表空間 |
File Header里的頁號(hào)由4字節(jié)組成，也就是32位，所以一個(gè)表空間最多能存儲(chǔ)232個(gè)頁，每個(gè)頁按照16KB的大小來算，一個(gè)表空間最多可以存儲(chǔ)64TB的大小的數(shù)據(jù)
【2】區(qū)
表空間里每連續(xù)64個(gè)頁組成一個(gè)區(qū)，一個(gè)頁按16KB大小來算，一個(gè)區(qū)的大小就為64*16KB=1MB，如下圖表示：
【3】組
表空間上連續(xù)256個(gè)區(qū)就為一個(gè)組，區(qū)0到區(qū)255就為第一個(gè)組，區(qū)256到區(qū)511就為第二個(gè)組，剩下的以此內(nèi)推，需要注意的是，第一個(gè)組的前三個(gè)頁的類型是固定，其它組的前兩個(gè)頁類型是固定的，在講這些頁之前我們先看一下頁的類型有幾種：
| 類型 | 含義 |
|---|---|
| FIL_PAGE_UNDO_LOG | Undo日志頁 |
| FIL_PAGE_INODE | 段信息節(jié)點(diǎn) |
| FIL_PAGE_IBUF_FREE_LIST | Insert Buffer空閑列表 |
| FIL_PAGE_IBUF_BITMAP | Insert Buffer位圖 |
| FIL_PAGE_TYPE_SYS | 系統(tǒng)頁 |
| FIL_PAGE_TYPE_TRX_SYS | 事務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù) |
| FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR | 表空間頭部信息 |
| FIL_PAGE_TYPE_XDES | 擴(kuò)展描述頁 |
| FIL_PAGE_TYPE_BLOB | BLOB頁 |
再看組的表結(jié)構(gòu)圖，如下圖：
【4】段
一個(gè)索引有葉子節(jié)點(diǎn)和非葉子節(jié)點(diǎn)，存放葉子節(jié)點(diǎn)所在區(qū)的集合就叫葉子段，存放非葉子節(jié)點(diǎn)所在區(qū)的集合就叫非葉子段，一個(gè)索引有兩個(gè)段。
【5】區(qū)的類型
段就是索引中葉子節(jié)點(diǎn)和非葉子節(jié)點(diǎn)所在區(qū)的集合，一個(gè)索引兩個(gè)段，一個(gè)區(qū)64個(gè)頁，數(shù)據(jù)量小的時(shí)候用一個(gè)區(qū)來作為存儲(chǔ)單位十分浪費(fèi)空間，所以就有了碎片區(qū)的概念，在數(shù)據(jù)量小的時(shí)候段就以碎片區(qū)中的頁為單位來分配空間，數(shù)據(jù)量大的時(shí)候就以區(qū)為單位來分配存儲(chǔ)空間，碎片區(qū)不屬于任何段，并且碎片區(qū)里的頁可以存儲(chǔ)多個(gè)索引的數(shù)據(jù)，區(qū)的類型有如下幾種：
| 區(qū)類型 | 含義 |
|---|---|
| FREE | 屬于表空間，區(qū)中的頁都沒被使用 |
| FREE_FRAG | 屬于表空間，有可用頁的碎片區(qū) |
| FULL_FRAG | 無可用頁的碎片區(qū) |
| FSEG | 屬于某個(gè)段的區(qū) |
【6】XDES Entry區(qū)結(jié)構(gòu)
InnoDB中每一個(gè)區(qū)都對(duì)應(yīng)一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu)，其組成圖如下：
XDES Entry結(jié)構(gòu)字段含義如下：
| XDES Entry | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| Segment ID | 8 | 段的唯一編號(hào)，只有FSEG類型的區(qū)此字段才有用 |
| List Node | 12 | 指向上一個(gè)和下一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu) |
| State | 4 | FREE、FREE_FRAG、FULL_FRAG、FSEG四種區(qū)類型 |
| Page State Bitmap | 16 | 16字節(jié)對(duì)應(yīng)的128比特位，其中每2個(gè)比特位對(duì)應(yīng)一個(gè)區(qū)64個(gè)頁中的一個(gè)頁，2個(gè)比特位中第一個(gè)比特位代表該頁是否被使用 |
List Node結(jié)構(gòu)字段含義如下：
| List Node | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| Prev Node Page Number | 4 | 上一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu)所在的頁 |
| Prev Node Offset | 2 | 上一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu)頁內(nèi)偏移量 |
| Next Node Page Number | 4 | 下一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu)所在的頁 |
| Next Node Offset | 2 | 下一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu)頁內(nèi)偏移量 |
【7】XDES Entry鏈表
在數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候，段是以碎片區(qū)中的頁為單位來分配存儲(chǔ)空間的，插入數(shù)據(jù)方式如下：
- 1、查找表空間中狀態(tài)為FREE_FRAG的區(qū)，找到了就取出零碎的頁把數(shù)據(jù)插進(jìn)去，
- 2、沒找到就申請(qǐng)一個(gè)狀態(tài)為FREE的區(qū)，將狀態(tài)變?yōu)镕REE_FRAG，再取出零碎的頁將數(shù)據(jù)插入進(jìn)去，
- 3、之后再插入數(shù)據(jù)當(dāng)沒有零碎的頁可用時(shí)狀態(tài)就變?yōu)镕ULL_FRAG。
快速查找這3個(gè)類型的區(qū)通過3個(gè)鏈表來查找，這3個(gè)鏈表是屬于表空間獨(dú)有的，3個(gè)鏈表如下：
| 鏈表 | 含義 |
|---|---|
| FREE鏈表 | FREE狀態(tài)的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node組成的鏈表 |
| FREE_FRAG鏈表 | FREE_FRAG狀態(tài)的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node組成的鏈表 |
| FULL_FRAG鏈表 | FULL_FRAG狀態(tài)的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node組成的鏈表 |
當(dāng)一個(gè)段中的數(shù)據(jù)超過32個(gè)零碎的頁之后，就以區(qū)為單位來分配存儲(chǔ)空間了，此時(shí)每個(gè)段都涉及3個(gè)鏈表，注意每個(gè)段都有3個(gè)鏈表，3個(gè)鏈表如下：
| 鏈表 | 含義 |
|---|---|
| FREE鏈表 | 同一個(gè)段中所有頁都是空閑的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)組成一個(gè)鏈表 |
| NOT_FULL鏈表 | 同一個(gè)段中有空閑頁的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)組成一個(gè)鏈表 |
| FULL鏈表 | 同一個(gè)段中沒有有空閑頁的區(qū)對(duì)應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)組成一個(gè)鏈表 |
【8】XDES Entry鏈表基節(jié)點(diǎn)
為了快速找到XDES Entry鏈表的頭和尾，InnoDB中設(shè)計(jì)了鏈表基節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)List Base Node，其結(jié)構(gòu)圖如下：
【9】INODE Entry段結(jié)構(gòu)
段也有一個(gè)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)INODE Entry，其結(jié)構(gòu)如圖：
INODE Entry結(jié)構(gòu)字段含義如下：
| INODE Entry | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| Segment Id | 8 | 段的唯一id |
| NOT_FULL_N_USED | 4 | NOT_FULL鏈表中已經(jīng)使用了的頁數(shù) |
| List Base Node For FREE List | 16 | 對(duì)應(yīng)段中的FREE鏈表 |
| List Base Node For NOT_FULL List | 16 | 對(duì)應(yīng)段中的NOT_FULL鏈表 |
| List Base Node For FULLList | 16 | 對(duì)應(yīng)段中的FULL鏈表 |
| Magic Number | 4 | INODE Entry是否被初始化 |
| Fragment Array Entry | 4 | 零碎頁頁號(hào)，總共32個(gè) |
【10】FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR頁類型
表空間第一個(gè)組中第一個(gè)頁的類型為FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR，結(jié)構(gòu)如下：
FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR字段解釋：
| 字段 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| File Header | 38 | 頁的通用信息 |
| FIle Space Header | 112 | 表空間的一些整體屬性 |
| XDES Entry | 10240 | 256個(gè)區(qū)信息 |
| Empty Space | 5986 | 未使用的空間 |
| File Trailer | 8 | 校驗(yàn)頁是否完整 |
File Space Header結(jié)構(gòu)字段解釋：
| 字段 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| Space ID | 4 | 表空間ID |
| Not Used | 4 | 未使用 |
| Size | 4 | 表空間占有的頁數(shù) |
| FREE Limit | 4 | 未被初始化的最小頁號(hào)，大于等于此頁號(hào)對(duì)應(yīng)的區(qū)的XDES Entry結(jié)構(gòu)都沒被加入FREE鏈表 |
| Space Flags | 4 | 存儲(chǔ)占用空間比較小的屬性 |
| FRAG_N_USED | 4 | FREE_FRAG鏈表中已使用的頁數(shù)量 |
| List Base Node for FREE List | 16 | FREE鏈表基節(jié)點(diǎn) |
| List Base Node for FREE_FRAG List | 16 | FREE_FRAG鏈表的基節(jié)點(diǎn) |
| List Base Node for FULL_FRAG List | 16 | FULL_FREG鏈表的基節(jié)點(diǎn) |
| Next Unused Segment ID | 8 | 表空間中下一個(gè)未使用的段ID |
| List Base Node for SEG_INODES_FULL List | 16 | SEG_INODES_FULL鏈表的基節(jié)點(diǎn) |
| List Base Node for SEG_INODES_FREE List | 16 | SEG_INODES_FREE鏈表的基節(jié)點(diǎn) |
【11】FIL_PAGE_IBUF_BITMAP頁類型
表空間所有組的第二個(gè)頁的類型為FIL_PAGE_IBUF_BITMAP，用于InnoDB存儲(chǔ)引擎中事務(wù)日志緩沖區(qū)，與插入緩沖有關(guān)，后面再講。
【12】FIL_PAGE_INODE頁類型
第一組第三個(gè)頁類型就為FIL_PAGE_INODE，用于存儲(chǔ)段結(jié)構(gòu)INODE Entry，其頁結(jié)果如圖：
FIL_PAGE_INODE頁類型字段解釋如下：
| 字段名 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| File Header | 38 | 頁的通用信息 |
| List Node for INODE Page List | 12 | 存儲(chǔ)上一個(gè)INODE頁和下一個(gè)INODE頁 |
| INODE Entry | 16128 | 段信息，可以存儲(chǔ)85個(gè) |
| Empty Space | 6 | 未使用的空間 |
| File Trailer | 8 | 校驗(yàn)頁是否完整 |
可以看到一個(gè)FIL_PAGE_INODE類型的頁最多存儲(chǔ)85個(gè)INODE Entry段結(jié)構(gòu)，如果超過85個(gè)，就需要申請(qǐng)其它FIL_PAGE_INODE類型的頁來進(jìn)行存儲(chǔ)了，所有FIL_PAGE_INODE類型的頁會(huì)組成兩個(gè)鏈表，這兩個(gè)鏈表存儲(chǔ)在FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR類型頁的File Space Header結(jié)構(gòu)里，鏈表如下：
| 鏈表 | 含義 |
|---|---|
| SEG_INODES_FULL鏈表 | FIL_PAGE_INODE類型的頁中沒有空閑空間來存儲(chǔ)INODE Entry段結(jié)構(gòu) |
| SEG_INODES_FREE鏈表 | FIL_PAGE_INODE類型的頁中有空閑空間來存儲(chǔ)INODE Entry段結(jié)構(gòu) |
存儲(chǔ)一個(gè)INODE Entry結(jié)構(gòu)的過程如下：
- 1、從SEG_INODES_FULL鏈表中取出一個(gè)頁去存儲(chǔ)INODE Entry段結(jié)構(gòu)，
- 2、如果頁上的INODE Entry段機(jī)構(gòu)存儲(chǔ)滿了就放入SEG_INODES_FREE鏈表，
- 3、如果SEG_INODES_FULL鏈表為空，就從表空間所屬的FREE_FRAG鏈表中取出一個(gè)零碎頁，修改其類型為FIL_PAGE_INODE，再放入SEG_INODES_FULL鏈表中。
【13】FIL_PAGE_TYPE_XDES頁類型
表空間第一個(gè)組之外的其它組的第一個(gè)頁類型為FIL_PAGE_TYPE_XDES，和FIL_PAGE_TYPE_FSP_HDR頁類型差不多，相比少了一些其它屬性，其結(jié)構(gòu)圖如下：
【14】索引關(guān)聯(lián)INODE Entry段結(jié)構(gòu)
一個(gè)索引有兩個(gè)段，它們之間是這樣關(guān)聯(lián)起來的，數(shù)據(jù)頁組成的頁類型中有兩個(gè)字段如下：
| 字段 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| PAGE_BTR_SEG_LEAF | 10 | B+樹葉子段的頭部信息，只在B+樹的根頁定義 |
| PAGE_BTR_SEG_TOP | 10 | B+樹非葉子段的頭部信息，只在B+樹的根頁定義 |
這兩個(gè)字段各對(duì)應(yīng)一個(gè)Segment Header結(jié)構(gòu)如下：
| Segment Header字段 | 字節(jié)大小 | 含義 |
|---|---|---|
| SpaceID ofthe INODE Entry | 4 | INODE Entry結(jié)構(gòu)所在的表空間ID |
| Page Number of the INODE Entry | 4 | INODE Entry結(jié)構(gòu)所在頁號(hào) |
| Byte Offset of the INODE Ent | 2 | INODE Entry結(jié)構(gòu)在頁中偏移量 |
通過Segment Header就能很方便找到索引對(duì)應(yīng)的INODE Entry段結(jié)構(gòu)，并且只需要在B+樹的根節(jié)點(diǎn)中定義這兩字段。
3、總結(jié)
本文主要講解獨(dú)立表空間的組成部分，涉及到頁、區(qū)、組還有各種結(jié)構(gòu)等，后續(xù)可以再講解系統(tǒng)表空間的組成，和獨(dú)立表空間類似。
以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。
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