【MySQL技术内幕】17-InnoDB逻辑存储结构

从 InnoDB存储引擎的逻辑存储结构看,所有数据都被逻辑地存放在一个空间中,称之为表空间(tablespace)。表空间又由段(segment)、区(extent)、页(page)组成。页在一些文档中有时也称为块(block), InnoDB存储引擎的逻辑存储结构大致如图所示。

1、表空间

表空间可以看做是InnoDB存储引擎逻辑结构的最高层,所有的数据都存放在表空间中。在默认情况下 InnoDB存储引擎有一个共享表空间 ibdata1,即所有数据都存放在这个表空间内。如果用户启用了参数 innodb_file_per_table,则每张表内的数据可以单独放到一个表空间内。
如果启用了 innodb_file_per_table的参数,需要注意的是每张表的表空间内存放的只是数据、索引和插入缓冲 Bitmap页,其他类的数据,如回滚(undo)信息,插入缓冲索引页、系统事务信息,二次写缓冲(double write buffer)等还是存放在原来的共享表空间内。这同时也说明了另一个问题:即使在启用了参数 innodb_file_per_table之后,共享表空间还是会不断地增加其大小。可以来做一个实验,在实验之前已经将 innodb_file_per_table设为ON了。现在看看初始共享表空间文件的大小:

可以看到,共享表空间 ibdata1的大小为58MB,接着模拟产生undo的操作,利用生成的表 mytest,并把其存储引擎更改为 InnoDB,执行如下操作:

这里首先将自动提交设为0,即用户需要显式提交事务(注意,在上面操作结束时,并没有对该事务执行 commit或 rollback)。接着执行会产生大量undo操作的语句 update mytest set salary=0,完成后再观察共享表空间,会发现 ibdata1已经增长到了114MB。这个例子虽然简单,但是足以说明共享表空间中还包含有undo信息有用户会问,如果对这个事务执行 rollback, ibdata1这个表空间会不会缩减至原来的大小(58MB)?这可以通过继续运行下面的语句得到验证:

很“可惜”,共享表空间的大小还是114MB,即 InnoDB存储引擎不会在执行 rollback时去收缩这个表空间。虽然 InnoDB不会回收这些空间,但是会自动判断这些undo信息是否还需要,如果不需要,则会将这些空间标记为可用空间,供下次undo使用。
回想一下,在master thread每10秒会执行一次的 full purge操作,很有可能的一种情况是:用户再次执行上述的 UPDATE语句后,会发现 ibdata1不会再增大了,那就是这个原因了。
py_innodb_page_info小工具(https://github.com/jameslcj/david-mysql-tools/tree/master/py_innodb_page_type),用来查看表空间中各页的类型和信息。使用方法如下:

可以看到共有83584个页,其中插入缓冲的空闲列表有204个页、5467个可用页、38675个undo页、39233个数据页等。用户可以通过添加v参数来查看更详细的内容。由于该工具还在开发之中,因此并不保证在本书出版时此工具最终显示结果的变化。

2、段

表空间是由各个段组成的,常见的段有数据段、索引段、回滚段等。
因为前面已经介绍过了 InnoDB存储引擎表是索引组织的(index organized),因此数据即索引,索引即数据。那么数据段即为B+树的叶子节点(图的 Leaf node segment),索引段即为B+树的非索引节点(图的 Non-leaf node segment)。回滚段较为特殊,将会在后面的章节进行单独的介绍。
在 InnoDB存储引擎中,对段的管理都是由引擎自身所完成,DBA不能也没有必要对其进行控制。这和 Oracle数据库中的自动段空间管理(ASSM)类似,从一定程度上简化了DBA对于段的管理。

3、区

区是由连续页组成的空间,在任何情况下每个区的大小都为1MB。为了保证区中页的连续性, InnoDB存储引擎一次从磁盘申请4~5个区。在默认情况下, InnoDB存储引擎页的大小为16KB,即一个区中一共有64个连续的页。

InnoDB 1.0.x版本开始引入压缩页,即每个页的大小可以通过参数 KEY_BLOCK_SZE设置为2K、4K、8K,因此每个区对应页的数量就应该为512、256、128。
InnoDB 1.2.x版本新增了参数 innodb_page_size,通过该参数可以将默认页的大小设置为4K、8K,但是页中的数据不是压缩。这时区中页的数量同样也为256、128。总之,不论页的大小怎么变化,区的大小总是为1M。
但是,这里还有这样一个问题:在用户启用了参数 innodb_file_per_talbe后,创建的表默认大小是96KB。区中是64个连续的页,创建的表的大小至少是1MB才对啊?其实这是因为在每个段开始时,先用32个页大小的碎片页( fragment page)来存放数据,在使用完这些页之后才是64个连续页的申请。这样做的目的是,对于一些小表,或者是undo这类的段,可以在开始时申请较少的空间,节省磁盘容量的开销。这里可以通过一个很小的示例来显示 InnoDB存储引擎对于区的申请方式:

mysql> create table t1(
    -> col1 int not null auto_increment,
    -> col2 varchar(7000),
    -> primary key(col1)) engine=InnoDB;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

mysql> system sudo ls -lh /usr/local/mysql/data/test_mybatis/t1.ibd
-rw-r-----  1 _mysql  _mysql    96K 10 11 18:04 /usr/local/mysql/data/test_mybatis/t1.ibd

上述的SQL语句创建了t表,将col2字段设为 VARCHAR(7000),这样能保证个页最多可以存放2条记录。通过ls命令可以发现,初始化并创建tl表后,表空间默认大小为96KB,接着运行如下SQL语句:

mysql> insert into t1 select null,repeat('a',7000);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

mysql> insert into t1 select null,repeat('a',7000);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

mysql> system sudo ls -lh /usr/local/mysql/data/test_mybatis/t1.ibd
-rw-r-----  1 _mysql  _mysql    96K 10 11 18:18 /usr/local/mysql/data/test_mybatis/t1.ibd

插入两条记录,根据之前对表的定义,这两条记录应该位于同一个页中。如果这时通过 py_innodb_page_info工具来查看表空间,可以看到:

 ./py_innodb_page_info.py -v /usr/local/mysql/data/test_mybatis/t1.ibd

这次用-v详细模式来看表空间的内容,注意到了 page offset为3的页,这个就是数据页。 page leve表示所在索引层,0表示叶子节点。因为当前所有记录都在一个页中,因此没有非叶节点。但是如果这时用户再插入一条记录,就会产生一个非叶节点。

现在可以看到 page offset为3的页的 page level由之前的0变为了1,这时虽然新插入的记录导致了B+树的分裂操作,但这个页的类型还是B-tree Node接着继续上述同样的操作,再插入60条记录,也就是说当前表t中共有63条记录,32个页。

可以看到,在导入了63条数据后,表空间的大小还是小于1MB,即表示数据空间的申请还是通过碎片页,而不是通过64个连续页的区。
可以观察到B-tree Node页一共有33个,除去一个 page level为1的非叶节点页,共有32个 page level为0的页,也就是说,对于数据段,已经有32个碎片页了。之后用户再申请空间,则表空间按连续64个页的大小开始增长了。好了,接着就这样来操作,插入一条数据,看之后表空间的大小:

因为已经用完了32个碎片页,新的页会采用区的方式进行空间的申请,如果此时用户再通过 py_innodb_page_info工具来看表空间文件tbd,应该可以看到很多类型为Freshly Allocated Page的页。

4、页

同大多数数据库一样, InnoDB有页(Page)的概念(也可以称为块),页是 InnoDB磁盘管理的最小单位。在 InnoDB存储引擎中,默认每个页的大小为16KB。而从InnoDB1.2.x版本开始,可以通过参数 innodb_page_size将页的大小设置为4K、8K、16K。若设置完成,则所有表中页的大小都为 innodb_page_size,不可以对其再次进行修改。除非通过 mysqldump导入和导出操作来产生新的库。
在 InnodB存储引擎中,常见的页类型有

• 数据页(B-tree Node)
• undo页(Undo Log Page)
• 系统页(System Page)
• 事务数据页(Transaction system Page)
• 插入缓冲位图页(Insert Buffer Bitmap)
• 插入缓冲空闲列表页(Insert Buffer Free List)
• 未压缩的二进制大对象页(Uncompressed BLOB Page)
• 压缩的二进制大对象页(Compressed BLOB Page)
   

5、行

InnoDB存储引擎是面向行的(row-oriented),也就说数据是按行进行存放的。每个页存放的行记录也是有硬性定义的,最多允许存放16KB/2-200行的记录,即7992行记录。这里提到了 row-oriented的数据库,也就是说,存在有 column-oriented的数据库。
MySQL infobright存储引擎就是按列来存放数据的,这对于数据仓库下的分析类SQL语句的执行及数据压缩非常有帮助。