第07章_InnoDB数据存储结构

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1.页的内部结构

数据页的16KB大小的存储空间被划分为个部分,分别是文件头(File Header)页头(Page Header)最大最小记录(Infimum+supremum)用户记录(User Records)空闲空间(Free Space)页目录(Page Directory)文件尾(File Tailer)
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1.1 File Header(文件头部)和File Trailer (文件尾部)

1.1.1 File Header详解

文件头的构成:
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1.1.1.1 FIL_PAGE_OFFSET(4字节)

每一个页都有一个单独的页号

1.1.1.2 FIL_PAGE_TYPE(2字节):

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1.1.1.3 FIL_PAGE_PREV(4字节)和FIL_PAGE_NEXT(4字节):

FIL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT就分别代表本页的上一个和下一个页的页号
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1.1.1.4 FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM(4字节)(重要)

代表当前页面的校验和(checksum)

什么是校验和?
就是对于一个很长的字符串来说,我们会通过某种算法来计算一个比较短的值来代表这个很长的字符串,这个比较短的值就称为校验和。
在比较两个很长的字符串之前,先比较这两个长字符串的校验和,如果校验和都不一样,则两个长字符串肯定是不同的,所以省去了直接比较两个比较长的字节串的时间损耗 。
文件头部和文件尾部都有属性:FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM

那么用于数据页中,校验和就是计算数据页中的数据得到的,如果文件头部和文件尾部的检验和都相等,说明数据页中的数据一致
每当一个页面在内存中修改了,在同步之前就要把它的校验和算出来,因为File Header在页面的前边,所以文件头部校验和会被首先同步到磁盘,当完全写完时,校验和也会被写到页的尾部,如果完全同步成功,则页的首部和尾部的校验和应该是一致的。如果写了一半儿断电了,那么在File Header中的校验和就代表着已经修改过的页,而在File Trailer中的校验和代表着原先的页,二者不同则意味着同步中间出了错。这里,校验方式就是采用 Hash 算法进行校验。
结合下图,形象一点。当修改数据的时候:
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1.1.1.5 FIL_PAGE_LSN(8字节)

页面被最后修改时对应的日志序列位置

1.1.2 File Tail详解

尾部一共长8个字节

  • 前4个字节代表页的校验和
    这个部分是和File Header中的校验和相对应的。

  • 后4个字节代表页面被最后修改时对应的日志序列位置(LSN):
    这个部分也是为了校验页的完整性的,如果首部和尾部的LSN值校验不成功的话,就说明同步过程出现了问题。

1.2 空闲空间、用户记录、最大最小记录

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1.2.1 空闲空间

在一开始生成页的时候,其实并没有User Records这个部分,全部是空闲空间,每当我们插入一条记录,都会从Free Space部分,也就是尚未使用的存储空间中申请一个记录大小的空间划分到User Records部分,当Free Space部分的空间全部被User Records部分替代掉之后,也就意味着这个页使用完了,如果还有新的记录插入的话,就需要去申请新的页了。
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1.2.2 用户记录

User Records中的这些记录按照指定的行格式一条一条摆在User Records部分,相互之间形成单链表
这提前学习1.3部分知识-行格式的记录头信息(行格式其实就是用户记录?)

1.2.2.1 行格式-记录头信息

下面假设以此为基础

mysql> CREATE TABLE page_demo(
    ->     c1 INT,
    ->     c2 INT,
    ->     c3 VARCHAR(10000),
    ->     PRIMARY KEY (c1)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

总览:
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第07章_InnoDB数据存储结构_第12张图片

INSERT INTO page_demo 
VALUES
(1, 100, 'song'), 
(2, 200, 'tong'), 
(3, 300, 'zhan'), 
(4, 400, 'lisi');

那么用户记录如下,为了更好地学习,这里的变长字段、值列表、隐藏列以及记录头信息中的预留位省略,都放在其他信息中
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1.2.2.1.1 delete_mask
  • 这个属性标记着当前记录是否被删除,占用1个二进制位。

    • 值为0:代表记录并没有被删除
    • 值为1:代表记录被删除掉了
  • 被删除的记录为什么还在页中存储呢?
    你以为它删除了,可它还在真实的磁盘上。这些被删除的记录之所以不立即从磁盘上移除,是因为移除它们之后其他的记录在磁盘上需要重新排列导致性能消耗。所以只是打一个删除标记而已,所有被删除掉的记录都会组成一个所谓的垃圾链表,在这个链表中的记录占用的空间称之为可重用空间,之后如果有新记录插入到表中的话,可能把这些被删除的记录占用的存储空间覆盖掉。这个可以去看看1.2.2.1.5 next_record的删除操作

  • 页是如何管理这些被逻辑删除的记录的呢?

    • 除了会将所有被逻辑删除的记录连成一个单链表;
    • 在页面头部,使用PAGE_FREE记录第一个被标记删除的记录的地址;可见1.3.2 页面头部
1.2.2.1.2 min_rec_mask

B+树的每层非叶子节点中的最小记录都会添加该标记,min_rec_mask值为1。
意思就是目录页中的最小记录的min_rec_mask值为1,其他记录的min_rec_mask的值都为0

1.2.2.1.3 record_type

这个属性表示当前记录的类型,一共有4种类型的记录:

  • 0:表示普通记录
  • 1:表示B+树非叶节点记录
  • 2:表示最小记录
  • 3:表示最大记录

复习一下之前的简略图,绿色的就代表record_type
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1.2.2.1.3 heap_no

这个属性表示当前记录在本页中的位置。类似一个序列号,从0开始
从图中可以看出来,我们插入的4条记录在本页中的位置分别是:2、3、4、5。

  • 怎么不见heap_no值为0和1的记录呢?
    MySQL会自动给每个页里加了两个记录,由于这两个记录并不是我们自己插入的,所以有时候也称为伪记录或者虚拟记录。这两个伪记录一个代表最小记录,一个代表最大记录。最小记录和最大记录的heap_no值分别是0和1,也就是说它们的位置最靠前。
    第07章_InnoDB数据存储结构_第15张图片
    看到这里,我们可以先看看1.2.3 最大最小记录
1.2.2.1.4 n_owned

页目录中每个组中最后一条记录的头信息中会存储该组一共有多少条记录,作为 n_owned 字段。
详细见1.3.1 页目录

1.2.2.1.5 next_record

记录头信息里该属性非常重要,它表示从当前记录的真实数据到下一条记录的真实数据的地址偏移量。不是地址值。
比如:第一条记录的next_record值为32,意味着从第一条记录的真实数据的地址处向后找32个字节便是下一条记录的真实数据。
第07章_InnoDB数据存储结构_第16张图片

扮演着单链表的功能,结合前面所学和 1.2.3 最大最小记录Infimum+Supremum,一个简单的用户记录+最大最小记录结构图如下
注意,下一条记录指得并不是按照我们插入顺序的下一条记录,而是按照主键值由小到大的顺序的下一条记录。而且规定Infimum记录(也就是最小记录)的下一条记录就是本页中主键值最小的用户记录,而本页中主键值最大的用户记录的下一条记录就是 Supremum记录(也就是最大记录)。下图用箭头代替偏移量表示next_record。
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1.2.2.1.5 删除操作

如果我们想删除一个数据

 DELETE FROM page_demo WHERE c1 = 2;

从图中可以看出来,删除第2条记录前后主要发生了这些变化:

  • 第2条记录并没有从存储空间中移除,而是把该条记录的delete_mask值设置为1
  • 第2条记录的next_record值变为了0,意味着该记录没有下一条记录了
  • 第1条记录的next_record指向了第3条记录。
  • 最大记录的n_owned值从 5 变成了 4 。
    第07章_InnoDB数据存储结构_第18张图片

所以,不论我们怎么对页中的记录做增删改操作,InnoDB始终会维护一条记录的单链表,链表中的各个节点是按照主键值由小到大的顺序连接起来的

1.2.2.1.5 添加操作

承接上面的删除操作,我们又想添加数据,当然这个数据有点讨巧,我们只需要知道c1 = 2,其他是任意值

 INSERT INTO page_demo VALUES(2, 200, 'tong');

第07章_InnoDB数据存储结构_第19张图片
从图中可以看出来,添加c1=2(c1是主键)的记录前后主要发生了这些变化:

  • 该记录并不是额外开辟的空间,直接复用了原来被删除记录的存储空间
  • 第1条记录的next_record值指向该记录
  • 该记录的next_record指向了第3条记录。
  • 最大记录的n_owned值从 4 变成了 5 。

1.2.3 最大最小记录Infimum+Supremum

Infimum:下确界
Supremum:上确界
第07章_InnoDB数据存储结构_第20张图片

  • 这两条记录不是我们自己定义的记录,所以它们并不存放在页的User Records部分,他们被单独放在一个称为Infimum + Supremum的部分,如上图
  • InnoDB规定的最小记录与最大记录这两条记录的构造十分简单,都是由5字节大小的记录头信息8字节大小的一个固定的部分组成的,如图所示:
    第07章_InnoDB数据存储结构_第21张图片
    再详细一点就是这样
    第07章_InnoDB数据存储结构_第22张图片
    为了与前面的知识更好地呼应,解释一下最大最小记录头信息中的具体内容
  • 最小记录
    • delete_mask:0,代表未删除,最大最小记录是固定的除非页不在了;
    • min_rec_mask:0,存疑?如果最小记录存在在非叶子节点,是不是该位置就是1?
    • n_owned:1,最小记录单独为一组,所以只有它自己一个;
    • heap_no:0,因为是最小记录,所以是0,最大记录就是1;
    • record_type:2,表示最小记录,如果是最大记录,就是3;
    • next_record:28,偏移量,不是地址,指向下一个记录;
  • 最大记录
    • delete_mask:0,代表未删除,最大最小记录是固定的除非页不在了;
    • min_rec_mask:0,并非是非叶子节点的最小记录;
    • n_owned:5,表示和最大记录同一组的记录还有4个;
    • heap_no:1,表示是最大记录;
    • record_type:3,表示是最大记录;
    • next_record:0,偏移量,表尾,后面没有了;

1.3 页目录、页面头部

1.3.1 页目录

  • 为什么需要页目录?
    在页中,记录是以单向链表的形式进行存储的。单向链表的特点就是插入、删除非常方便,但是检索效率不高,最差的情况下需要遍历链表上的所有节点才能完成检索。因此在页结构中专门设计了页目录这个模块,专门给记录做一个目录,通过二分查找法的方式进行检索,提升效率。
  • mysql是如何实现页目录的?
    • 将所有的记录分成几个组,这些记录包括最小记录和最大记录,但不包括标记为“已删除”的记录。
    • 第 一 组,也就是最小记录所在的分组只有 1 个记录
    • 最后一组,就是最大记录所在的分组,会有 1-8 条记录;
    • 其余的组记录数量在 4-8 条之间。
      这样做的好处是,除了第 1 组(最小记录所在组)以外,其余组的记录数会尽量平分。
    • 在每个组中最后一条记录的头信息中会存储该组一共有多少条记录,作为 n_owned 字段
    • 页目录用来存储每组最后一条记录的地址偏移量,这些地址偏移量会按照先后顺序存储起来,每组的地址偏移量也被称之为槽(slot),每个槽相当于指针指向了不同组的最后一个记录。

现在向page_demo表中添加更多的数据。如下:

INSERT INTO page_demo 
VALUES
(5, 500, 'zhou'), 
(6, 600, 'chen'), 
(7, 700, 'deng'), 
(8, 800, 'yang'), 
(9, 900, 'wang'), 
(10, 1000, 'zhao'), 
(11, 1100, 'qian'), 
(12, 1200, 'feng'), 
(13, 1300, 'tang'), 
(14, 1400, 'ding'), 
(15, 1500, 'jing'), 
(16, 1600, 'quan');

那么加入页目录之后的用户记录+最大最小记录就变成:
第07章_InnoDB数据存储结构_第23张图片

  • 如何分组的?

    • 初始情况下一个数据页里只有最小记录和最大记录两条记录,它们分属于两个分组。
    • 之后每插入一条记录,都会从页目录中找到主键值比本记录的主键值大并且差值最小的槽,然后把该槽对应的记录的n_owned值加1,表示本组内又添加了一条记录,直到该组中的记录数等于8个。
    • 在一个组中的记录数等于8个后再插入一条记录时,会将组中的记录拆分成两个组,一个组中4条记录,另一个5条记录。这个过程会在页目录中新增一个槽来记录这个新增分组中最大的那条记录的偏移量
  • 页目录结构下如何快速查找记录?

    • 上图中保留了16条记录的记录头信息中的n_owned和next_record属性,省略了各个记录之间的箭头。
      现在看怎么从这个页目录中查找记录。因为各个槽代表的记录的主键值都是从小到大排序的,所以我们可以使用二分法来进行快速查找。5个槽的编号分别是:0、1、2、3、4,所以初始情况下最低的槽就是low=0最高的槽就是high=4。比方说我们想找主键值为6的记录,槽的数量是记录在页面头部的,方便二分过程是这样的:

      1. 计算中间槽的位置:mid=low+(high-low)/2=(0+4)/2=2,所以查看槽2对应记录的主键值为8,又因为8 > 6,所以设置high=mid。
      2. 重新计算中间槽的位置:mid=low+(high-low)/2=(0+2)/2=1,所以查看槽1对应的主键值为4,又因为4 < 6,所以设置low=mid。
      3. 因为low+1==high,所以确定主键值为6的记录在槽2对应的组中。此刻我们需要找到槽2中主键值最小的那条记录,然后沿着单向链表遍历槽2中的记录
    • 但是我们前边又说过,每个槽对应的记录都是该组中主键值最大的记录,这里槽2对应的记录是主键值为8的记录,怎么定位一个组中最小的记录呢?别忘了各个槽都是挨着的,我们可以很轻易的拿到槽1对应的记录(主键值为4),该条记录的下一条记录就是槽2中主键值最小的记录,该记录的主键值为5。所以我们可以从这条主键值为5的记录出发,遍历槽2中的各条记录,直到找到主键值为6的那条记录即可。
      由于一个组中包含的记录条数只能是1~8条,所以遍历一个组中的记录的代价是很小的。

1.3.2 页面头部

为了能得到一个数据页中存储的记录的状态信息,比如本页中已经存储了多少条记录,第一条记录的地址是什么,页目录中存储了多少个槽等等,特意在页中定义了一个叫Page Header的部分,这个部分占用固定的56个字节,专门存储各种状态信息。
第07章_InnoDB数据存储结构_第24张图片

  • PAGE_N_DIR_SLOTS:在页目录中的槽数量,方便二分法
  • PAGE_FREE:第一个已经标记为删除的记录地址(各个已删除的记录通过next_record
    也会组成一个单链表,这个单链表中的记录可以被重新利用)
  • PAGE_DIRECTION、PAGE_N_DIRECTION : B站链接精准空降

1.4 B+树是如何进行检索的

从B+树的根节点开始,访问数据页的页目录,使用二分法,找到对应槽位(slot),每个槽位记录的是每组最后一条记录的地址偏移量,,以此类推,直到找到叶子节点,然后再使用二分法找到一个粗略的记录分组,最后顺序遍历找到我们想到的值。

2.InnoDB的行格式

我们平时的数据以行为单位来向表中插入数据,这些记录在磁盘上的存放方式也被称为行格式或者记录格式。InnoDB存储引擎设计了4种不同类型的行格式,分别是CompactRedundantDynamicCompressed行格式。

mysql> SELECT @@innodb_default_row_format;  # 查看MySQL8的默认行格式:
+-------------------------------------+
| @@innodb_default_row_format |
+-------------------------------------+
| dynamic                                   |
+-------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> SHOW TABLE STATUS like 'user'\G   # 查看指定表user的行格式
*************************** 1. row ***************************
           Name: user
         Engine: InnoDB
        Version: 10
     Row_format: Dynamic	#行格式
           Rows: 5
 Avg_row_length: 3276
    Data_length: 16384
Max_data_length: 0
   Index_length: 0
      Data_free: 4194304
 Auto_increment: NULL
    Create_time: 2022-11-08 13:54:52
    Update_time: 2022-11-09 01:58:47
     Check_time: NULL
      Collation: utf8_bin
       Checksum: NULL
 Create_options: row_format=DYNAMIC stats_persistent=0
        Comment: Users and global privileges
1 row in set (0.00 sec)

mysql> CREATE TABLE 表名 (列的信息) ROW_FORMAT=行格式名称  # 在创建表时指定行格式
mysql> ALTER TABLE 表名 ROW_FORMAT=行格式名称			#修改表的行格式

2.1 Compact

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下面的说明一切按照此表

#建立表,行格式是COMPACT
mysql> CREATE TABLE record_test_table (
    ->     col1 VARCHAR(8),
    ->     col2 VARCHAR(8) NOT NULL,
    ->     col3 CHAR(8),
    ->     col4 VARCHAR(8)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=COMPACT;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)
 
向表中插入两条记录:
INSERT INTO record_test_table(col1, col2, col3, col4) 
VALUES
('zhangsan', 'lisi', 'wangwu', 'songhk'), 
('tong', 'chen', NULL, NULL);

2.1.1 变长字段长度列表

MySQL支持一些变长的数据类型,比如VARCHAR(M)、VARBINARY(M)、TEXT类型,BLOB类型,这些数据类型修饰列称为变长字段,变长字段中存储多少字节的数据不是固定的,所以我们在存储真实数据的时候需要顺便把这些数据占用的字节数也存起来。在Compact行格式中,把所有变长字段的真实数据占用的字节长度都存放在记录的开头部位,从而形成一个变长字段长度列表

注意:这里面存储的变长长度和字段顺序是反过来的。比如两个varchar字段在表结构的顺序是a(10),b(15)。那么在变长字段长度列表中存储的长度顺序就是15,10,是反过来的。

以record_test_table表中的第一条记录举例:因为record_test_table表的col1、col2、col4列都是VARCHAR(8)类型的,所以这三个列的值的长度都需要保存在记录开头处,注意record_test_table表中的各个列都使用的是ascii字符集(每个字符只需要1个字节来进行编码)。
第07章_InnoDB数据存储结构_第26张图片
又因为这些长度值需要按照列的逆序存放,所以最后变长字段长度列表的字节串用十六进制表示的效果就是(各个字节之间实际上没有空格,用空格隔开只是方便理解):
06 04 08
把这个字节串组成的变长字段长度列表填入上边的示意图中的效果就是(为什么clo3没有存,因为col3列是定长的):
在这里插入图片描述

2.1.2 NULL值列表

我们知道表中的某些列可能存储 NULL 值,如果把这些 NULL 值都放到 记录的真实数据中存储会很占地方,所以 Compact 行格式把这些值为 NULL 的列统一管理起来,存储到 NULL 值列表中,它的处理过程是这样的:

  • 首先统计表中允许存储 NULL 的列有哪些。我们前边说过,主键列、被 NOT NULL 修饰的列都是不可以存储 NULL 值的,所以在统计的时候不会把这些列算进去。
  • 如果表中没有允许存储 NULL 的列,则 NULL值列表不存在。若允许,则将每个允许存储 NULL 的列对应一个二进制位,二进制位按照列的顺序逆序排列:二进制位的值为 1 时,代表该列的值为 NULL 。二进制位的值为 0 时,代表该列的值不为 NULL
  • MySQL 规定 NULL值列表 必须用整数个字节的位表示,如果使用的二进制位个数不是整数个字节,则在字节的高位补 0 。即若一个表有9个值允许为null,则这个记录null值列表的部分需要用2字节表示。

record_test_table的两条记录的NULL值列表就如下:
第一条记录:
第07章_InnoDB数据存储结构_第27张图片

第二条记录:
第07章_InnoDB数据存储结构_第28张图片

疑问既然第二条数据的col3、col4都是NULL,也被标记在了NULL值列表,那么后面列3的值、列4的值 里面存的是什么呢?
解答:什么也不存,即只存放col1、col2的值

2.1.3 记录头信息

详见1.2.2.1 行格式-记录头信息

2.1.4 记录的真实信息

记录的真实数据除了我们自己定义的列的数据以外,还会有三个隐藏列:
第07章_InnoDB数据存储结构_第29张图片
三个隐藏列是存储在真实数据之前的

  • 一个表没有手动定义主键,则会选取一个Unique键作为主键,如果连Unique键都没有定义的话,则会为表默认添加一个名为row_id的隐藏列作为主键。所以row_id是在没有自定义主键以及Unique键的情况下才会存在的。
  • 事务ID和回滚指针在后面的《第14章_MySQL事务日志》章节中讲解。

2.1.5 总结

重新整个表,直接看十六进制文件

CREATE TABLE mytest(
col1 VARCHAR(10),
col2 VARCHAR(10),
col3 CHAR(10),
col4 VARCHAR(10)
)ENGINE=INNODB CHARSET=LATIN1 ROW_FORMAT=COMPACT;
 
 
INSERT INTO mytest
VALUES('a','bb','bb','ccc');
 
INSERT INTO mytest
VALUES('d','ee','ee','fff');
 
INSERT INTO mytest
VALUES('d',NULL,NULL,'fff');

我们从data文件夹,找到对应的数据库,进去再找到mytest.ibd文件以16进制的方式打开:
在这里插入图片描述

第07章_InnoDB数据存储结构_第30张图片

INSERT INTO mytest
VALUES('a','bb','bb','ccc');

这一行数据对应的.ibd文件中的这一部分
在这里插入图片描述

03 02 01
代表变长字段长度列表,因为表的col1、col2、col4都是varchar变长的数据类型,'a' 1字节
'bb' 2字节 'ccc'3字节,因为存储的变长长度和字段顺序是反过来的,所以是03 02 01

00
代表NULL值列表,因为value值全不为空,所以是00

00 00 10 00 2c
这部分5字节,代表记录头信息,记录头信息包括:预留位1(1bit,注1bit=0.125字节)、预留位2(1bit)delete_mask(1bit)min_rec_mask(1bit)n_owned(4bit)heap_no(13bit)record_type(3bit)next_cord(16bit,等于2字节),虽然很多信息只是占用几bit,从十六进制很难看出具体信息,但是最后两个字节的信息 00 2c 可以看出是next_cord

00 00 00 2b 68 00
代表 row_id,固定长6字节
00 00 00 00 06 05
代表 Transaction_ID ,固定长6字节
80 00 00 00 32 01 10
代表 Roll Pointer,固定长 7 字节

61
就是col1的值 ‘a’, a的 ASCII值是97,97转十六进制就是61,因为是可变长,所以占1字节
62 62
就是col2的值’bb’,b的 ASCII值是98,97转十六进制就是62,因为是可变长,所以占2字节
62 62 20 20 20 20 20 20 20 20
就是col3的值’bb’,因为col3的类型是CHAR(10),定长,所以占10个字节
63 63 63
就是col4的值’ccc’

INSERT INTO mytest
VALUES('d','ee','ee','fff');

略,同上

INSERT INTO mytest
VALUES('d',NULL,NULL,'fff');

这一行数据对应的.ibd文件中的这一部分
在这里插入图片描述

03 01
代表变长字段长度列表,因为表的col1、col4都是varchar变长的数据类型,'d' 1字节 'fff'3字节,因为存储的变长长度和字段顺序是反过来的,所以是03 01,其他两列是null,所以不存

06
代表NULL值列表,因为col2、col3两列的值都是NULL,且四列全部没有指明是非空(或主键),所以NULL值列 二进制表示应该为0110(倒序),转为十六进制应该是06(因为要占整数字节所以6前面要补0)

00 00 20 ff 98
这部分5字节,代表记录头信息,记录头信息包括:预留位1(1bit,注1bit=0.125字节)、预留位2(1bit)delete_mask(1bit)min_rec_mask(1bit)n_owned(4bit)heap_no(13bit)record_type(3bit)next_cord(16bit,等于2字节),虽然很多信息只是占用几bit,从十六进制很难看出具体信息,但是最后两个字节的信息 ff 98 可以看出是next_cord

00 00 00 2b 68 02
代表 row_id,固定长6字节
00 00 00 00 06 07
代表 Transaction_ID ,固定长6字节
80 00 00 00 32 01 10
代表 Roll Pointer,固定长 7 字节

64
就是col1的值 ‘d’, d的 ASCII值是100,100转十六进制就是64,因为是可变长,所以占1字节
66 66 66
就是col4的值’fff’
注意clo2、col3列都是NULL值,真实数据这一块就不记录了,节省空间

2.2 Dynamic、Compressed行格式

mysql8.0 默认 的行格式

2.2.1 行溢出

很多DBA喜欢MySQL数据库提供的VARCHAR(M)类型,认为最多可以存放65535字节。这是真的吗?如果我们使用 ascii字符集的话,一个字符就代表一个字节,我们看看VARCHAR(65535)是否可用。

CREATE  TABLE  varchar_size_demo(
 c  VARCHAR(65535)
 )  CHARSET=ascii  ROW_FORMAT=Compact;
#结果如下:
ERROR 1118 (42000): Row size too large. The maximum row size for the used table type, not counting BLOBs, is 65535. This includes storage overhead, check the manual. You have  to  change  some  columns  to  TEXT or  BLOBs

报错信息表达的意思是:MySQL对一条记录占用的最大存储空间是有限制的,除BLOB或者TEXT类型的列之外, 其他所有的列(不包括隐藏列和记录头信息,也就是真实数据+变长字段长度列表+NULL值列表)占用的字节长度加起来不能超过65535个字节。

疑问?
为什么不包括隐藏列和记录头信息

这个65535个字节除了列本身的数据之外,还包括一些其他的数据,以Compact行格式为例,比如说我们为了存储一个VARCHAR(M)类型的列,除了真实数据占有空间以外,还需要记录的额外信息。

如果该VARCHAR类型的列没有NOT NULL属性,那最多只能存储65532个字节的数据,因为变长字段的长度占用 2个字节,NULL值标识需要占用1个字节。

CREATE  TABLE  varchar_size_demo(
    c  VARCHAR(65532)
)  CHARSET=ascii  ROW_FORMAT=Compact;
 
 
#如果有not null属性,那么就不需要NULL值标识,也就可以多存储一个字节,即65533个字节
CREATE  TABLE  varchar_size_demo( 
  c  VARCHAR(65533)  not  null
)  CHARSET=ascii  ROW_FORMAT=Compact; 

我们可以知道一个页的大小一般是16KB,也就是16384字节,而一个VARCHAR(M)类型的列就最多可以存储65533个字节,这样就可能出现一个页存放不了一条记录,这种现象称为行溢出

CompactReduntant行格式中,对于占用存储空间非常大的列,在记录的真实数据处只会存储该列的一部分数据,把剩余的数据分散存储在几个其他的页中进行分页存储,然后记录的真实数据处用20个字节存储指向这些页的地址(当然这20个字节中还包括这些分散在其他页面中的数据的占用的字节数),从而可以找到剩余数据所在的页。
第07章_InnoDB数据存储结构_第31张图片

2.2.2 Dynamic、Compressed行格式

Dynamic、Compressed行格式和Compact行格式挺像,只不过在处理行溢出数据时有分歧:

  • Compressed和Dynamic两种记录格式对于存放在BLOB中的数据采用了完全的行溢出的方式。如图,在数据页中只存放20个字节的指针(溢出页的地址),实际的数据都存放在Off Page(溢出页)中。不会像Compact行格式一样进行分页存储
  • Compact和Redundant两种格式会在记录的真实数据处存储一部分数据(存放768个前缀字节)。
  • Compressed行记录格式的另一个功能就是,存储在其中的行数据会以zlib的算法进行压缩,因此对于BLOB、TEXT、VARCHAR这类大长度类型的数据能够进行非常有效的存储。

第07章_InnoDB数据存储结构_第32张图片

2.3 Redundant行格式

2.3.1字段长度偏移列表

注意Compact行格式的开头是变长字段长度列表,而Redundant行格式的开头是字段长度偏移列表,与变长字段长度列表有两处不同:

  • 少了“变长”两个字:Redundant行格式会把该条记录中所有列(包括隐藏列)的长度信息都按照逆序存储到字段长度偏移列表。
  • 多了“偏移”两个字:这意味着计算列值长度的方式不像Compact行格式那么直观,它是采用两个相邻数值的差值来计算各个列值的长度。

举例:比如第一条记录的字段长度偏移列表就是:
2B 25 1F 1B 13 0C 06

因为它是逆序排放的,所以按照列的顺序排列就是:
06 0C 13 17 1A 24 25
按照两个相邻数值的差值来计算各个列值的长度的意思就是:

第一列(row_id)的长度就是 0x06个字节,也就是6个字节。
第二列(transaction_id)的长度就是 (0x0C - 0x06)个字节,也就是6个字节。
第三列(roll_pointer)的长度就是 (0x13 - 0x0C)个字节,也就是7个字节。
第四列(col1)的长度就是 (0x1B - 0x13)个字节,也就是8个字节。
第五列(col2)的长度就是 (0x1F - 0x1B)个字节,也就是4个字节。
第六列(col3)的长度就是 (0x25 - 0x1F)个字节,也就是6个字节。
第七列(col4)的长度就是 (0x2B - 0x25)个字节,也就是6个字节。

2.3.2 记录头信息(record header)

不同于Compact行格式,Redundant行格式中的记录头信息固定占用6个字节(48位),每位的含义见下表。

  • 与Compact行格式的记录头信息对比来看,有两处不同:
    • Redundant行格式多了n_field和1byte_offs_flag这两个属性。
    • Redundant行格式没有record_type这个属性。

其中,n_fields:代表一行中列的数量,占用10位,这也很好地解释了为什么MySQL一个行支持最多的列为1023。另一个值为1byte_offs_flags,该值定义了偏移列表占用1个字节还是2个字节。当它的值为1时,表明使用1个字节存储。当它的值为0时,表明使用2个字节存储。

  • 1byte_offs_flag的值是怎么选择的
    我们前边说过每个列对应的偏移量可以占用1个字节或者2个字节来存储,那到底什么时候用1个字节,什么时候用2个字节呢?其实是根据该条Redundant行格式记录的真实数据占用的总大小来判断的:

    • 当记录的真实数据占用的字节数值不大于127(十六进制0x7F,二进制01111111)时,每个列对应的偏移量占用1个字节。
    • 当记录的真实数据占用的字节数大于127,但不大于32767(十六进制0x7FFF,二进制0111111111111111)时,每个列对应的偏移量占用2个字节。
  • 有没有记录的真实数据大于32767的情况呢?有,不过此时的记录已经存放到了溢出页中,在本页中只保留前768个字节和20个字节的溢出页面地址。因为字段长度偏移列表处只需要记录每个列在本页面中的偏移就好了,所以每个列使用2个字节来存储偏移量就够了。
    大家可以看出来,Redundant行格式还是比较简单粗暴的,直接使用整个记录的真实数据长度来决定使用1个字节还是2个字节存储列对应的偏移量。只要整条记录的真实数据占用的存储空间大小大于127,即使第一个列的值占用存储空间小于127,那对不起,也需要使用2个字节来表示该列对应的偏移量。简单粗暴,就是这么简单粗暴(所以这种行格式有些过时了)。
    为了在解析记录时知道每个列的偏移量是使用1个字节还是2个字节表示的,Redundant行格式特意在记录头信息里放置了一个称之为1byte_offs_flag的属性:

  • Redundant行格式中NULL值的处理
    因为Redundant行格式并没有NULL值列表,所以Redundant行格式在字段长度偏移列表中的各个列对应的偏移量处做了一些特殊处理 —— 将列对应的偏移量值的第一个比特位作为是否为NULL的依据,该比特位也可以被称之为NULL比特位。也就是说在解析一条记录的某个列时,·首先看一下该列对应的偏移量的NULL比特位是不是为1。如果为1,那么该列的值就是NULL,否则不是NULL。
    这也就解释了上边介绍为什么只要记录的真实数据大于127(十六进制0x7F,二进制01111111)时,就采用2个字节来表示一个列对应的偏移量,主要是第一个比特位是所谓的NULL比特位,用来标记该列的值是否为NULL。
    但是还有一点要注意,对于值为NULL的列来说,该列的类型是否为定长类型决定了NULL值的实际存储方式,我们接下来分析一下record_test_table表的第二条记录,它对应的字段长度偏移列表如下:
    A4 A4 1A 17 13 0C 06
    按照列的顺序排放就是:
    06 0C 13 17 1A A4 A4
    我们分情况看一下:

    • 如果存储NULL值的字段是定长类型的,比方说CHAR(M)数据类型的,则NULL值也将占用记录的真实数据部分,并把该字段对应的数据使用0x00字节填充。
      如图第二条记录的c3列的值是NULL,而c3列的类型是CHAR(10),占用记录的真实数据部分10字节,所以我们看到在Redundant行格式中使用0x00000000000000000000来表示NULL值。
      另外,c3列对应的偏移量为0xA4,它对应的二进制实际是:10100100,可以看到最高位为1,意味着该列的值是NULL。将最高位去掉后的值变成了0100100,对应的十进制值为36,而c2列对应的偏移量为0x1A,也就是十进制的26。36 - 26 = 10,也就是说最终c3列占用的存储空间为10个字节。
    • 如果该存储NULL值的字段是变长数据类型的,则不在记录的真实数据处占用任何存储空间。
      比如record_test_table表的c4列是VARCHAR(10)类型的,VARCHAR(10)是一个变长数据类型,c4列对应的偏移量为0xA4,与c3列对应的偏移量相同,这也就意味着它的值也为NULL,将0xA4的最高位去掉后对应的十进制值也是36,36 - 36 = 0,也就意味着c4列本身不占用任何记录的实际数据处的空间。

除了以上的几点之外,Redundant行格式和Compact行格式还是大致相同的。

3.1页的上层结构

第07章_InnoDB数据存储结构_第33张图片127-区、段、碎片区与表空间结构

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