MySQL索引页结构

1. 前言

「页」是InnoDB管理存储空间的基本单位，也是内存和磁盘交互的基本单位。也就是说，哪怕你需要1字节的数据，InnoDB也会读取整个页的数据，下次读取的数据如果恰巧也在这个页里，就能命中缓存了。写也是一样的，写数据前要先把页加载到内存，然后在内存中修改，该页被记为「脏页」，脏页淘汰之前必须刷盘。

InnoDB有很多类型的页，它们的用处也各不相同。比如：有存放undo日志的页、有存放INODE信息的页、有存放Change Buffer信息的页、存放用户记录数据的页等等。今天我们要聊的，就是最基础也是最重要的，存放用户记录数据的「索引页」。

2. 索引页结构

InnoDB默认的页大小是16KB，在初始化表空间之前可以在配置文件中进行配置，一旦初始化完成就不可再变更了。查看页大小的命令如下，显示的是字节数。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';

索引页结构如下图所示：

索引页由七部分组成，其中Infimum和Supremum也属于记录，只不过是虚拟记录，这里为了与用户记录区分开，还是决定将两者拆开。

2.1 File Header

File Header是所有页都有的一个通用的结构，占用固定的38字节，它记录了页的一些通用的状态信息，例如：页的页号、Checksum、把页串联成双向链表的指针、页的类型等等。

FIL_PAGE_SPACE_OR_CHECKSUM

基于当前页计算出的校验和(Checksum)，可以把它看作是哈希值，校验和不同，则两个页数据肯定不同。它的作用是InnoDB在脏页刷盘时，有可能会遇到页刷到一半断电的情况，页的头和尾部分分别记录校验和，只有当头尾的校验和一致的时候，才代表磁盘上的页是完整的，否则就是一个损坏的页。

FIL_PAGE_OFFSET

页号，页的唯一标识，全局递增的数字，InnoDB通过页号来定位唯一的一个页。4字节存储，意味着一个表空间最多可以有232个页，按照一个页16KB计算，则一个表空间最多支持64TB的数据。

FIL_PAGE_PREV & FIL_PAGE_NEXT

一个页大小才16KB，一张表数据其实是由N多个页构成的，页与页之间在物理上可以是不连续的，但是逻辑上要连续，FIL_PAGE_PREV和FIL_PAGE_NEXT分别指向当前页的上一个页和下一个页的页号，通过这两个指针将索引页串联成了一个双向链表。记录与记录之间是单向的，页与页之间是双向的！

FIL_PAGE_LSN

页面最后被修改时，对应的LSN值。LSN的全称是Log Sequence Number，日志序列号。它是一个递增的数字，和事务相关，这里不作赘述。

FIL_PAGE_TYPE

当前页的类型，InnoDB为了不同的目的设计了很多不同类型的页，索引页的固定值是0x45BF。

FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN

仅在第1个页中使用，用来判断数据库是正常关闭还是异常宕机。

FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID

仅记录当前页数据哪个表空间。

2.2 Page Header

Page Header是索引页特有的结构，占用固定的56字节，它记录了索引页中记录相关的状态信息。

不用每个属性都了解，我们挑几个比较重要的看看。

PAGE_N_DlR_SLOTS

一个页内可能有上千条记录，挨个遍历的话效率太慢了。为了提高页内记录的检索效率，InnoDB将页内的记录划分为多个组，组里最大的那条记录相较于页的地址偏移量会记录到「Page Directory」部分，每个组都对应一个槽，槽的大小是固定的2字节。该属性记录的就是页内槽的数量。

PAGE_HEAP_TOP

Free Space的起始位置，它是User Records和Free Space分界点。一个全新的页一开始是没有User Records部分的，每插入一条记录，都要向Free Space申请空间，Free Space耗尽就代表页满了。

PAGE_FREE

DELETE命令删除记录时，InnoDB并不会真的将记录从磁盘中删除，而是在记录的头信息里打个标记，然后将其加入到「垃圾链表」中。PAGE_FREE指向的就是垃圾链表的表头记录。后面删除的记录，也会自动加入到链表里。

PAGE_DIRECTION & PAGE_N_DIRECTION

PAGE_DIRECTION表示最后一条记录插入的方向，比上一条记录值大则记为右边，反之则是左边。PAGE_N_DIRECTION表示同一方向连续插入的记录数，方向变了该值就会重置。

PAGE_LEVEL

InnoDB组织数据的形式就是B+树，树中的节点就是索引页，PAGE_LEVEL代表当前页在B+树中所处的层级。InnoDB规定，叶子节点层级为0，然后向上递增。

2.3 User Records

Infimum和Supremum也属于记录，只是为了与用户记录区分开才划分成了两部分，我们先看User Records。

用户记录存放在User Records部分，一个全新的页一开始全是Free Space，是没有User Records部分的。每插入一条记录都需要到Free Space申请一块空间，并将其划分到User Records用来存放用户记录。当Free Space耗尽也就代表当前页已经用完了，再有新记录需要插入，就需要申请一个新的页了。

还记得MySQL的行格式吗？它决定了记录在磁盘里的存储格式。以COMPACT为例，存储格式如下图：

记录头信息里的字段比较关键，以防大家忘记，我这里再贴一下：

记录头信息的最后2字节用来连接下一条记录，将页内所有记录串联成一个单向链表。所以我们隐藏变长字段长度列表和NULL值列表，记录的格式应该是这样的：

记录是怎么排序的？
我们已经知道，页内的记录会自动串联成一个单向链表。那这个链表的编排顺序是什么呢？是按照记录的插入时间排序的吗？其实不是的，如果表有主键，会根据主键排序；没主键有唯一非空索引，会根据该索引排序；两者都没有，InnoDB会自动生成一个row_id列并根据该列进行排序。

若无特殊说明，本文均假定表有主键。

2.4 Infimum & Supremum

Infimum和Supremum是索引页内的两条虚拟记录，InnoDB规定所有索引页都会有这两条记录，而且所有的用户记录都比Infimum大，都比Supremum小。
记录头信息里的heap_no代表记录在堆里的相对位置，该值越小代表记录越靠前。细心的同学会发现，上图中的用户记录heap_no值是从2开始的，那0和1呢？不说你也肯定猜到了，就是被Infimum和Supremum占用了。Infimum和Supremum的heap_no值分别是0和1，它俩在所有用户记录的最前面。

Infimum和Supremum结构非常的简单，和用户记录一样也有头信息，真实数据部分是固定的字符串，如下图所示：

我们把这两条虚拟记录也加入到记录里面，完整的结构就是下面这样的：

Supremum记录的next_record属性为0，代表它已经没有下一条记录了。

2.5 Page Directory

Free Space没什么好说的，就是一块未被使用的空闲空间。

Page Directory也叫作「页目录」，它的目的是提高页内记录的检索效率。相较于一张表几千万的记录来说，一个页内几百上千条记录已经是很少很少了。可即便如此，它也有几百上千条啊，如果页内检索记录只能挨个遍历的话，那也太低效了。别忘了，页内的记录是根据索引值排好序的，我们可以巧用「二分法」来快速查找。

具体做法是：将页内所有非删除的记录划分为N个组，每个组里最后一条记录(即主键最大的记录)称作“大哥”，其余记录是“小弟”，“大哥”的n_owned属性记录了组内的记录数量。将“大哥”在页内的地址偏移量提取出来，按顺序依次从File Trailer部分往前写，每个地址偏移量占用2字节，称作一个「槽」，Page Directory就是由这些槽构成的。
InnoDB对于分组内的记录数量有一些规定：

• Infimum记录所在分组，只能有一条记录。
• Supremum记录所在分组，允许有1~8条记录。
• 其余分组，允许有4~8条记录。

由此可见，一个组里最多有8条记录，只要通过二分法快速定位到组，InnoDB也只需要遍历这8条记录，相较于遍历页内所有记录，效率要高的多。

2.6 File Trailer

File Trailer是所有页都有的通用结构，占用固定的8字节，它的主要作用就是为了校验页的完整性。磁盘的速度实在是太慢了，InnoDB不会每次写点数据都直接刷新到磁盘上，那样MySQL会慢死。而是将页作为刷盘的基本单位，数据修改时，先改内存里的页，稍后再将整个页的数据一次性刷新到磁盘里。但是这会带来一个问题，一个页16KB，刷到第10KB的时候磁盘断电了怎么办？重启后InnoDB如何判断磁盘里的页数据是完整的？
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InnoDB是这么处理的，刷盘前根据页数据计算出一个Checksum，在页头和页尾都写一份。页刷盘的时候，先刷页头再刷页尾，当头尾两个Checksum值一致的时候，代表磁盘里的页是完整的，否则就表示页头刷了页尾没刷，那肯定是刷到一半出错了。

3. 总结

页是InnoDB存取数据的基本单位，默认页大小是16KB，InnoDB为了不同的目的设计了很多不同类型的页，本文重点分析了存放用户记录的索引页。页的头尾部分File Header和File Trailer是所有页都有的一个通用结构，它们记录了页的一些通用状态信息，和Checksum用来验证页的完整性。Page Header是索引页特有的结构，它记录了页内用户记录相关的状态信息。User Records部分用来存放用户记录。另外，由于页内的记录数量也不少，为了提高页内记录的检索效率，InnoDB在索引页中加入了Page Directory，它通过将记录分组，将组里最大的记录的地址偏移量形成一个个槽，Page Directory就是由这些槽构成的。检索数据时，使用二分法快速定位到槽所在的组，就可以避免遍历所有组的记录了。