InnoDB Page Formats

InnoDB数据页格式

页简介

页（page）是 InnoDB 管理存储空间的基本单位，一页大小一般为 16KB

页类型

数据页（B-Tree Node）
Undo页（Undo Log Page）
系统页（System Page）
事务数据页（Transaction System Page）
等等

数据页结构

一个 InnoDB 数据页的存储空间大概被划分为 7 个部分

Fil Header（38 Bytes） –头部文部页的一些通用信息
Page Header（56 Bytes） –页面头部数据页专有的一些信息
Infimum + Supremum Records（26 Bytes）–最小记录和最大记录两个虚拟的行记录
User Records –用户记录实际存储的行记录内容
Free Space –空闲空间页中尚未使用的空间
Page Directory –页面目录页中的某些记录的相对位置
Fil Trailer（8 Bytes） –文件尾部校验页是否完整

一个页有两个头/尾对，其中，Fil Header 与 Fil Trailer 为一对，Page Header 与 Page Directory 为另一对。前者用于定义文件，为 fil 相关程序组所关心；后者用于定义页，为 page 相关程序组所关心。

Fil 即 File

夹在头尾中间的部分，即记录（records）和空闲空间（free space）。一个页面总是以两个不变的记录 Infimum 和 Supremum 开始，接下来是用户记录。在向下增长的用户空间与向上增长的 Page Directory 之间，是提供给新记录的空间空间。

新创建的页面是不存在 User Records（用户记录）的，当插入第一条数据时，会从 Free Space 申请空间，才会出现这个部分。当 Free Space 被用完时，新插入的记录会放在新申请的数据页中。

ibd 文件

Windows 下表空间数据存储在 C:\ProgramData\MySQL\MySQL Server 5.7\Data\[数据库名]\[表名].ibd 中。

借助 Visual Studio Code 的 hexdump 扩展，查看该文件。

当前表中数据内容如下：

首先查询当前的页大小：

mysql> show status like 'Innodb_page_size';
+------------------+-------+
| Variable_name    | Value |
+------------------+-------+
| Innodb_page_size | 16384 |
+------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

当前的测试环境下 InnoDB 页大小为 16 KB。因此，ibd 文件每 16 KB 属于一个页。

第一个页的范围应当为 0x0000000 ~ 0x00003ff0。以此类推，我们把整个文件切分为多个 16 KB 部分。本文不讨论文件格式，因此直接定位到目标页，本次测试环境下是 0x0000c000 即第四页为测试数据存储位置。

上图分析：蓝色部分为 38 字节的 Fil Header，黄色为 56 字节的 Page Header，红色为 26 字节的 Infimum + Supremum 记录。

其后一部分就是数据, 绿色划线部分为 8 字节的 Fil Tailer

记录在页中的存储

InooDB 定义了两个伪记录分别维最小记录和最大记录（占 26 字节），都是由 5 字节大小的记录头信息和 8 字节大小的一个固定的部分组成，如下图

在一开始生成页的时候，其实并没有 User Record 这个部分，每当我们插入一条记录，都会从 Free Space 部分申请一个记录大小的空间划分到 User Records 部分，当 Free Space 部分使用完，就要申请新的页。

User Record 中的**记录按照主键的从小到大的顺序形成一个单链表 **( next_record )

规定: Infimum 记录的下一条记录就是本页中主键最小的用户记录，

本页中主键最大的用户记录(next_record = 0)的下一条记录就是 Supremum 记录

不论怎么对页中的记录做增删改查操作，InnoDB 始终会维护一条记录的单链表。

注：当数据页中存在多条被删除的记录时，这些记录的 next_record 属性将会把这些被删除的记录组成一个垃圾链表，以备之后重用这个部分存储。

Page Directory

页目录生成过程

将所有正常记录（包括最小记录和最大记录，不包括标记删除的记录）划分为几个组
每个组的最后一条记录（组内最大的那条记录）的头信息中 n_owned 属性表示该记录拥有多少条记录，也就是该组内有多少条记录
将每组的最后一条记录的地址偏移量（从页面的 0 字节开始数）单独提取出来按顺序存储到靠近页的尾部的地方（即 Page Directory）

页面目录中的这些地址偏移量被称为槽(Slot),所以页目录就是由槽组成。如下图所示

每个分组中记录条数规定:

对于最小记录所在的分组只能由 1 条记录
最大记录所在分组拥有的记录数只能在 1~8 条
剩下的分组记录数只能在 4~8 条

分组步骤：

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。

数据页中查找指定主键值的记录的过程分为两步:

通过二分法确定该记录所在的槽，并找到该槽中主键值最小的那条记录。
通过记录的 next_record 属性遍历该槽所在的组中的各个记录。

页面头部：占有固定的 56 字节，专门存储各种状态信息，例如存储了多少个槽，多少条记录等等

各个字节的作用如下表：

名称	占用空间的大小（字节）	描述
PAGE_N_DIR_SLOTS	2	在页目录中的槽数量
PAGE_HEAP_TOP	2	还未使用的空间最小地址，也就是说从该地址之后就是 Free Space
PAGE_N_HEAP	2	本页中的记录的数量(包括最小和最大记录以及标记为删除的记录)
PAGE_FREE	2	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_GARBAGE	2	已删除记录占用的字节数
PAGE_LAST_INSERT	2	最后插入记录的位置
PAGE_DIRECTION	2	记录插入的方向
PAGE_N_DIRECTION	2	一个方向连续插入的记录数量
PAGE_N_RECS	2	该页中记录的数量(不包括最小和最大记录以及被标记为删除的记录)
PAGE_MAX_TRX_ID	8	修改当前页的最大事务 ID，该值仅在二级索引中定义
PAGE_LEVEL	2	当前页在 B+ 树中所处的层级
PAGE_INDEX_ID	8	索引 ID，表示当前页属于哪个索引
PAGE_BTR_SEG_LEAF	10	B+ 树叶子段的头部信息，仅在 B+ 树的 Root 页定义
PAGE_BTR_SEG_TOP	10	B+ 树非叶子段的头部信息，仅在 B+ 树的 Root 页定义

File Header

文件头部记录这页面的通用信息，例如页的编码，上一页，下一页等等，占用固定字节 38

名称	占用空间大小（字节）	描述
FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM	4	页的校验和(checksum值)
FIL_PAGE_OFFSET	4	页号
FIL_PAGE_PREV	4	上一个页的页号
FIL_PAGE_NEXT	4	下一个页的页号
FIL_PAGE_LSN	8	页面被最后修改时对应的日志序列位置(英文名是:Log Sequence Number)
FIL_PAGE_TYPE	2	该页的类型
FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN	8	仅在系统表空间的一个页中定义，代表文件至少被刷新到了对应的LSN值
FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID	4	页属于哪个表空间

每个数据页中的 File Header 部分上有上一个和下一个页编号，数据页会组成一个双链表

FIL_PAGE_OFFSET ：每一个页都有一个单独的页号，就跟你的身份证号码一样， InnoDB 通过页号来可以唯一定位一个页

File Trailer

File Trailer 检测一个页是否完整，由 8 个字节组成

这 8 个字节可以分为两个部分

前 4 个字节代表页的校验和
- 这个部分适合 File Header 中的校验和相对应。
后 4 个字节代表页面最后被修改时对应的日志序列位置（LSN）

..

每个记录的头信息中都有一个 next_record 属性，从而使页中的所有记录串联成一个单链表
每个数据页中的 File Header 部分上有上一个和下一个页编号，数据页会组成一个双链表