mysql底层数据存储原理

一、前言

1.1 数据存储在哪里？

        操作系统从寄存器中读取数据是最快的，因为它离CPU最近。但是寄存器有个非常致命的问题是：它只能存储非常少量的数据，设计它的目的主要是用来暂存指令和地址，并非存储大量用户数据的。
        内存的大小虽然比寄存器大，但是还是不能保存过多的数据，而且服务器重启的话，数据就会丢失了。
        综上所述，innodb选择将数据存储在磁盘中，容量大，同时保证数据不丢失。

众所周知，在mysql5以前，默认的存储引擎是：myslam。但mysql5之后，默认的存储引擎已经变成了：innodb，它是我们建表的首选存储引擎。

二、数据页

我们可以把一批数据放在一起。

        写操作时，先将数据写到内存的某个批次中，然后再将该批次的数据一次性刷到磁盘上。如下图所示：

读操作时，从磁盘上一次读一批数据，然后加载到内存当中，以后就在内存中操作。如下图所示： 

         将内存中的数据刷到磁盘，或者将磁盘中的数据加载到内存，都是以批次为单位，这个批次就是我们常说的：数据页。

        当然innodb中存在多种不同类型的页，数据页只是其中一种，我们在这里重点介绍一下数据页。

那么问题来了，什么是数据页？

        数据页主要是用来存储表中记录的，它在磁盘中是用双向链表相连的，方便查找，能够非常快速得从一个数据页，定位到另一个数据页。

很多时候，由于我们表中的数据比较多，在磁盘中可能存放在多个数据页当中。

        有一天，我们要根据某个条件查询数据时，需要从一个数据页找到另一个数据页，这时候的双向链表就派上大用场了。磁盘中各数据页的整体结构如下图所示：

         通常情况下，单个数据页默认的大小是16kb。当然，我们也可以通过参数：innodb_page_size，来重新设置大小。不过，一般情况下，用它的默认值就够了。

好吧，数据页的整体结构已经搞明白了。

那么，单个数据页包含哪些内容呢？

 从上图中可以看出，数据页主要包含如下几个部分：

• 文件头部
• 页头部
• 最大和最小记录
• 用户记录
• 空闲空间
• 页目录
• 文件尾部

三.用户记录

        对于新申请的数据页，用户记录是空的。当插入数据时，innodb会将一部分空闲空间分配给用户记录。

        用户记录是innodb的重中之重，我们平时保存到数据库中的数据，就存储在它里面。那么，它里面又包含哪些内容呢？你不好奇吗？

其实在innodb支持的数据行格式有四种：

1.compact行格式
2.redundant行格式
3.dynamic行格式
4.compressed行格式
我们以compact行格式为例：

一条用户记录主要包含三部分内容：

        记录额外信息，它包含了变长字段、null值列表和记录头信息。
        隐藏列，它包含了行id、事务id和回滚点。
        真正的数据列，包含真正的用户数据，可以有很多列。
下面让我们一起了解一下这些内容。

3.1 额外信息
        额外信息并非真正的用户数据，它是为了辅助存数据用的。

3.1.1 变长字段列表
        有些数据如果直接存会有问题，比如：如果某个字段是varchar或text类型，它的长度不固定，可以根据存入数据的长度不同，而随之变化。

        如果不在一个地方记录数据真正的长度，innodb很可能不知道要分配多少空间。假如都按某个固定长度分配空间，但实际数据又没占多少空间，岂不是会浪费？

        所以，需要在变长字段中记录某个变长字段占用的字节数，方便按需分配空间。

3.1.2 null值列表
        数据库中有些字段的值允许为null，如果把每个字段的null值，都保存到用户记录中，显然有些浪费存储空间。

        有没有办法只简单的标记一下，不存储实际的null值呢？

答案：将为null的字段保存到null值列表。

        在列表中用二进制的值1，表示该字段允许为null，用0表示不允许为null。它只占用了1位，就能表示某个字符是否为null，确实可以节省很多存储空间。

3.1.3 记录头信息
        记录头信息用于描述一些特殊的属性。

它主要包含：

deleted_flag： 即删除标记，用于标记该记录是否被删除了。
min_rec_flag： 即最小目录标记，它是非叶子节点中的最小目录标记。
n_owned：即拥有的记录数，记录该组索引记录的条数。
heap_no：即堆上的位置，它表示当前记录在堆上的位置。
record_type：即记录类型，其中：0表示普通记录，1表示非叶子节点，2表示Infrimum记录， 3表示Supremum记录。
next_record：即下一条记录的位置。

3.2 隐藏列

数据库在保存一条用户记录时，会自动创建一些隐藏列。如下图所示：

 

 目前innodb自动创建的隐藏列有三种：

• db_row_id，即行id，它是一条记录的唯一标识。

• db_trx_id，即事务id，它是事务的唯一标识。

• db_roll_ptr，即回滚点，它用于事务回滚。

        如果表中有主键，则用主键做行id，无需额外创建。如果表中没有主键，假如有不为null的unique唯一键，则用它做为行id，同样无需额外创建。

        如果表中既没有主键，又没有唯一键，则数据库会自动创建行id。

        也就是说在innodb中，隐藏列中事务id和回滚点是一定会被创建的，但行id要根据实际情况决定。

3.3 真正数据列

        真正的数据列中存储了用户的真实数据，它可以包含很多列的数据。

3.4 用户记录是如何相连的？

        通过上面介绍的内容，大家对一条用户记录是如何存储的，应该有了一定的认识。

        但问题来了，一条用户记录和另一条用户记录是如何相连的，innodb是怎么知道，某条记录的下一条记录是谁？

答案是：用前面提到过的， 记录额外信息 》 记录头信息 》下一条记录的位置。

多条用户记录之间通过下一条记录的位置，组成了一个单向链表。这样就能从前往后，找到所有的记录了。 

四.最大和最小记录

        从上面可以得知，在一个数据页当中，如果存在多条用户记录，它们是通过下一条记录的位置相连的。

        不过有个问题：如果才能快速找到最大的记录和最小的记录呢？

        这就需要在保存用户记录的同时，也保存最大和最小记录了。

        最大记录保存到Supremum记录中。

        最小记录保存在Infimum记录中。

        在保存用户记录时，数据库会自动创建两条额外的记录：Supremum 和 Infimum。它们之间的关系，如下图所示：

         从图中可以看出用户数据是从最小记录开始，通过下一条记录的位置，从小到大，一步步查找，最后找到最大记录为止。

五.页目录

        从上面可以看出，如果我们要查询某条记录的话，数据库会从最小记录开始，一条条查找所有记录。如果中途找到了，则直接返回该记录。如果一直找到最大记录，还没有找到想要的记录，则返回空。

咋一看，没有问题。

但如果仔细想想。

效率会不会有点低？

这不是要对整页用户数据进行扫描吗？

有没有更高效的方法？

这就需要使用页目录了。

说白了，就是把一页用户记录分为若干组，每一组的最大记录都保存到一个地方，这个地方就是页目录。每一组的最大记录叫做槽。

由此可见，页目录是有多个槽组成的。所下图所示：

         假设一页的数据分为4组，这样在页目录中，就对应了4个槽，每个槽中都保存了该组数据的最大值。

        这样就能通过二分查找，比较槽中的记录跟需要找到的记录的大小。如果用户需要查找的记录，小于当前槽中的记录，则向上查找上一个槽。如果用户需要查找的记录，大于当前槽中的记录，则向下查找下一个槽。

如此一来，就能通过二分查找，快速的定位需要查找的记录了。

六.文件头部和尾部

6.1 文件头部

        通过前面介绍的行记录中下一条记录的位置和页目录，innodb能非常快速的定位某一条记录。但有个前提条件，就是用户记录必须在同一个数据页当中。

        如果用户记录非常多，在第一个数据页找不到我们想要的数据，需要到另外一页找该怎么办呢？

这时就需要使用文件头部了。

它里面包含了多个信息，但我只列出了其中4个最关键的信息：

页号
上一页页号
下一页页号
页类型
顾名思义，innodb是通过页号、上一页页号和下一页页号来串联不同数据页的。如下图所示：

        不同的数据页之间，通过上一页页号和下一页页号构成了双向链表。这样就能从前向后，一页页查找所有的数据了。

此外，页类型也是一个非常重要的字段，它包含了多种类型，其中比较出名的有：数据页、索引页（目录项页）、溢出页、undo日志页等。

6.2 文件尾部

        我之前提过，数据库的数据是以数据页为单位，加载到内存中，如果数据有更新的话，需要刷新到磁盘上。

        但如果某一天比较倒霉，程序在刷新到磁盘的过程中，出现了异常，比如：进程被kill掉了，或者服务器被重启了。

这时候数据可能只刷新了一部分，如何判断上次刷盘的数据是完整的呢？

这就需要用到文件尾部。

它里面记录了页面的校验和。

        在数据刷新到磁盘之前，会先计算一个页面的校验和。后面如果数据有更新的话，会计算一个新值。文件头部中也会记录这个校验和，由于文件头部在前面，会先被刷新到磁盘上。

        接下来，刷新用户记录到磁盘的时候，假设刷新了一部分，恰好程序出现异常了。这时，文件尾部的校验和，还是一个旧值。数据库会去校验，文件尾部的校验和，不等于文件头部的新值，说明该数据页的数据是不完整的。

七.页头部

通过上面介绍的内容，数据页之间能够轻松访问了，但剩下还有个比较重要的问题，就是记录的状态信息。

比如一页数据到底保存了多条记录，或者页目录到底使用了多个槽等。这些信息是实时统计，还是事先统计好了，保存到某个地方？

为了性能考虑，上面的这些统计数据，当然是先统计好，保存到一个地方。后面需要用到该数据时，再读取出来会更好。这个保存统计数据的地方，就是页头部。

当然页头部不仅仅只保存：槽的数量、记录条数等信息。

它还记录了：

        已删除记录所占的字节数
        最后插入记录的位置
        最大事务id
        索引id
        索引层级

八.总结

        多个数据页之间通过页号构成了双向链表。而每一个数据页的行数据之间，又通过下一条记录的位置构成了单项链表。整体架构图如下：