一文搞懂MySQL索引頁結構

1. 前言

「頁」是InnoDB管理儲存空間的基本單位，也是記憶體和磁碟互動的基本單位。也就是說，哪怕你需要1位元組的資料，InnoDB也會讀取整個頁的資料，下次讀取的資料如果恰巧也在這個頁裡，就能命中快取了。寫也是一樣的，寫資料前要先把頁載入到記憶體，然後在記憶體中修改，該頁被記為「髒頁」，髒頁淘汰之前必須刷盤。

InnoDB有很多型別的頁，它們的用處也各不相同。比如：有存放undo紀錄檔的頁、有存放INODE資訊的頁、有存放Change Buffer資訊的頁、存放使用者記錄資料的頁等等。今天我們要聊的，就是最基礎也是最重要的，存放使用者記錄資料的「索引頁」。

2. 索引頁結構

InnoDB預設的頁大小是16KB，在初始化表空間之前可以在組態檔中進行設定，一旦初始化完成就不可再變更了。檢視頁大小的命令如下，顯示的是位元組數。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';

索引頁結構如下圖所示：

索引頁由七部分組成，其中Infimum和Supremum也屬於記錄，只不過是虛擬記錄，這裡為了與使用者記錄區分開，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構，佔用固定的38位元組，它記錄了頁的一些通用的狀態資訊，例如：頁的頁號、Checksum、把頁串聯成雙向連結串列的指標、頁的型別等等。

FIL_PAGE_SPACE_OR_CHECKSUM

基於當前頁計算出的校驗和(Checksum)，可以把它看作是雜湊值，校驗和不同，則兩個頁資料肯定不同。它的作用是InnoDB在髒頁刷盤時，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和，只有當頭尾的校驗和一致的時候，才代表磁碟上的頁是完整的，否則就是一個損壞的頁。

FIL_PAGE_OFFSET

頁號，頁的唯一標識，全域性遞增的數位，InnoDB通過頁號來定位唯一的一個頁。4位元組儲存，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援64TB的資料。

FIL_PAGE_PREV & FIL_PAGE_NEXT

一個頁大小才16KB，一張表資料其實是由N多個頁構成的，頁與頁之間在物理上可以是不連續的，但是邏輯上要連續，FIL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT分別指向當前頁的上一個頁和下一個頁的頁號，通過這兩個指標將索引頁串聯成了一個雙向連結串列。記錄與記錄之間是單向的，頁與頁之間是雙向的！

FIL_PAGE_LSN

頁面最後被修改時，對應的LSN值。LSN的全稱是Log Sequence Number，紀錄檔序列號。它是一個遞增的數位，和事務相關，這裡不作贅述。

FIL_PAGE_TYPE

當前頁的型別，InnoDB為了不同的目的設計了很多不同型別的頁，索引頁的固定值是0x45BF。

FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN

僅在第1個頁中使用，用來判斷資料庫是正常關閉還是異常宕機。

FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID

僅記錄當前頁資料哪個表空間。

2.2 Page Header

Page Header是索引頁特有的結構，佔用固定的56位元組，它記錄了索引頁中記錄相關的狀態資訊。

不用每個屬性都瞭解，我們挑幾個比較重要的看看。

PAGE_N_DlR_SLOTS

一個頁內可能有上千條記錄，挨個遍歷的話效率太慢了。為了提高頁內記錄的檢索效率，InnoDB將頁內的記錄劃分為多個組，組裡最大的那條記錄相較於頁的地址偏移量會記錄到「Page Directory」部分，每個組都對應一個槽，槽的大小是固定的2位元組。該屬性記錄的就是頁內槽的數量。

PAGE_HEAP_TOP

Free Space的起始位置，它是User Records和Free Space分界點。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，Free Space耗盡就代表頁滿了。

PAGE_FREE

DELETE命令刪除記錄時，InnoDB並不會真的將記錄從磁碟中刪除，而是在記錄的頭資訊裡打個標記，然後將其加入到「垃圾連結串列」中。PAGE_FREE指向的就是垃圾連結串列的表頭記錄。後面刪除的記錄，也會自動加入到連結串列裡。

PAGE_DIRECTION & PAGE_N_DIRECTION

PAGE_DIRECTION表示最後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表示同一方向連續插入的記錄數，方向變了該值就會重置。

PAGE_LEVEL

InnoDB組織資料的形式就是B+樹，樹中的節點就是索引頁，PAGE_LEVEL代表當前頁在B+樹中所處的層級。InnoDB規定，葉子節點層級為0，然後向上遞增。

2.3 User Records

Infimum和Supremum也屬於記錄，只是為了與使用者記錄區分開才劃分成了兩部分，我們先看User Records。

使用者記錄存放在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，並將其劃分到User Records用來存放使用者記錄。當Free Space耗盡也就代表當前頁已經用完了，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？它決定了記錄在磁碟裡的儲存格式。以COMPACT為例，儲存格式如下圖：

記錄頭資訊裡的欄位比較關鍵，以防大家忘記，我這裡再貼一下：

記錄頭資訊的最後2位元組用來連線下一條記錄，將頁內所有記錄串聯成一個單向連結串列。所以我們隱藏變長欄位長度列表和NULL值列表，記錄的格式應該是這樣的：

記錄是怎麼排序的？
我們已經知道，頁內的記錄會自動串聯成一個單向連結串列。那這個連結串列的編排順序是什麼呢？是按照記錄的插入時間排序的嗎？其實不是的，如果表有主鍵，會根據主鍵排序；沒主鍵有唯一非空索引，會根據該索引排序；兩者都沒有，InnoDB會自動生成一個row_id列並根據該列進行排序。

若無特殊說明，本文均假定表有主鍵。

2.4 Infimum & Supremum

Infimum和Supremum是索引頁內的兩條虛擬記錄，InnoDB規定所有索引頁都會有這兩條記錄，而且所有的使用者記錄都比Infimum大，都比Supremum小。
記錄頭資訊裡的heap_no代表記錄在堆裡的相對位置，該值越小代表記錄越靠前。細心的同學會發現，上圖中的使用者記錄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佔用了。Infimum和Supremum的heap_no值分別是0和1，它倆在所有使用者記錄的最前面。

Infimum和Supremum結構非常的簡單，和使用者記錄一樣也有頭資訊，真實資料部分是固定的字串，如下圖所示：

我們把這兩條虛擬記錄也加入到記錄裡面，完整的結構就是下面這樣的：

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

2.5 Page Directory

Free Space沒什麼好說的，就是一塊未被使用的空閒空間。

Page Directory也叫作「頁目錄」，它的目的是提高頁內記錄的檢索效率。相較於一張表幾千萬的記錄來說，一個頁內幾百上千條記錄已經是很少很少了。可即便如此，它也有幾百上千條啊，如果頁內檢索記錄只能挨個遍歷的話，那也太低效了。別忘了，頁內的記錄是根據索引值排好序的，我們可以巧用「二分法」來快速查詢。

具體做法是：將頁內所有非刪除的記錄劃分為N個組，每個組裡最後一條記錄(即主鍵最大的記錄)稱作“大哥”，其餘記錄是“小弟”，“大哥”的n_owned屬性記錄了組內的記錄數量。將“大哥”在頁內的地址偏移量提取出來，按順序依次從File Trailer部分往前寫，每個地址偏移量佔用2位元組，稱作一個「槽」，Page Directory就是由這些槽構成的。
InnoDB對於分組內的記錄數量有一些規定：

• 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。
• 其餘分組，允許有4~8條記錄。

由此可見，一個組裡最多有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，相較於遍歷頁內所有記錄，效率要高的多。

2.6 File Trailer

File Trailer是所有頁都有的通用結構，佔用固定的8位元組，它的主要作用就是為了校驗頁的完整性。磁碟的速度實在是太慢了，InnoDB不會每次寫點資料都直接重新整理到磁碟上，那樣MySQL會慢死。而是將頁作為刷盤的基本單位，資料修改時，先改記憶體裡的頁，稍後再將整個頁的資料一次性重新整理到磁碟裡。但是這會帶來一個問題，一個頁16KB，刷到第10KB的時候磁碟斷電了怎麼辦？重啟後InnoDB如何判斷磁碟裡的頁資料是完整的？
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InnoDB是這麼處理的，刷盤前根據頁資料計算出一個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，當頭尾兩個Checksum值一致的時候，代表磁碟裡的頁是完整的，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

頁是InnoDB存取資料的基本單位，預設頁大小是16KB，InnoDB為了不同的目的設計了很多不同型別的頁，本文重點分析了存放使用者記錄的索引頁。頁的頭尾部分File Header和File Trailer是所有頁都有的一個通用結構，它們記錄了頁的一些通用狀態資訊，和Checksum用來驗證頁的完整性。Page Header是索引頁特有的結構，它記錄了頁內使用者記錄相關的狀態資訊。User Records部分用來存放使用者記錄。另外，由於頁內的記錄數量也不少，為了提高頁內記錄的檢索效率，InnoDB在索引頁中加入了Page Directory，它通過將記錄分組，將組裡最大的記錄的地址偏移量形成一個個槽，Page Directory就是由這些槽構成的。檢索資料時，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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