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如果你使用過mysql數(shù)據(jù)庫，對它的存儲引擎：innodb，一定不會感到陌生。

眾所周知，在mysql8以前，默認的存儲引擎是：myslam。但mysql8之后，默認的存儲引擎已經(jīng)變成了：innodb，它是我們建表的首選存儲引擎。

那么，問題來了：

1. innodb底層是如何存儲數(shù)據(jù)的？
2. 表中有哪些隱藏列？
3. 用戶記錄之間是如何關(guān)聯(lián)起來的？

如果你想知道上面三個問題的答案，那么，請繼續(xù)往下面看。

本文主要包含如下內(nèi)容：

1.磁盤or內(nèi)存？

1.1 磁盤

數(shù)據(jù)對系統(tǒng)來說是非常重要的東西，比如：用戶的身份證、手機號、銀行號、會員過期時間、積分等等。一旦丟失，會對用戶造成很大的影響。

那么問題來了，如何才能保證這些重要的數(shù)據(jù)不丟呢？

答案：把數(shù)據(jù)存在磁盤上。

當(dāng)然有人會說，如果磁盤壞了怎么辦？

那就需要備份，或者做主從了。。。

好了，打住，這不是今天的重點。

言歸正傳。

大家都知道，從磁盤上讀寫數(shù)據(jù)，至少需要兩次IO請求才能完成。一次是讀IO，另一次是寫IO。

而IO請求是比較耗時的操作，如果頻繁的進行IO請求勢必會影響數(shù)據(jù)庫的性能。

那么，如何才能解決數(shù)據(jù)庫的性能問題呢？

1.2 內(nèi)存

把數(shù)據(jù)存在寄存器？

沒錯，操作系統(tǒng)從寄存器中讀取數(shù)據(jù)是最快的，因為它離CPU最近。

但是寄存器有個非常致命的問題是：它只能存儲非常少量的數(shù)據(jù)，設(shè)計它的目的主要是用來暫存指令和地址，并非存儲大量用戶數(shù)據(jù)的。

這樣看來，只能把數(shù)據(jù)存在內(nèi)存中了。

因為內(nèi)存同樣能滿足我們，快速讀取和寫入數(shù)據(jù)的需求，而且性能是非常可觀的，只是比較寄存器稍稍慢了一丟丟而已。

不過有個讓人討厭的地方是，內(nèi)存相對于磁盤來說，是更加昂貴的資源。通常情況下，500G或者1T的磁盤，是很常見的。但你有聽說過有500G的內(nèi)存嗎？別人會以為你瘋了。內(nèi)存大小討論的數(shù)量級一般是16G或32G。

內(nèi)存可以存儲一些用戶數(shù)據(jù)，但無法存儲所有的用戶數(shù)據(jù)，因為如果數(shù)據(jù)量太大了，它可能還是存不下。

此外，即使用戶數(shù)據(jù)能剛好存在內(nèi)存，以后萬一有一天，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或者部署節(jié)點掛了，或者重啟了，數(shù)據(jù)不就丟了？

怎么做，才能不會因為異常情況，而丟數(shù)據(jù)。同時，又能保證數(shù)據(jù)的讀寫速度呢？

2.數(shù)據(jù)頁

我們可以把一批數(shù)據(jù)放在一起。

寫操作時，先將數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存的某個批次中，然后再將該批次的數(shù)據(jù)一次性刷到磁盤上。如下圖所示：

讀操作時，從磁盤上一次讀一批數(shù)據(jù)，然后加載到內(nèi)存當(dāng)中，以后就在內(nèi)存中操作。如下圖所示：

將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)刷到磁盤，或者將磁盤中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，都是以批次為單位，這個批次就是我們常說的：數(shù)據(jù)頁。

當(dāng)然innodb中存在多種不同類型的頁，數(shù)據(jù)頁只是其中一種，我們在這里重點介紹一下數(shù)據(jù)頁。

那么問題來了，什么是數(shù)據(jù)頁？

數(shù)據(jù)頁主要是用來存儲表中記錄的，它在磁盤中是用雙向鏈表相連的，方便查找，能夠非?？焖俚脧囊粋€數(shù)據(jù)頁，定位到另一個數(shù)據(jù)頁。

很多時候，由于我們表中的數(shù)據(jù)比較多，在磁盤中可能存放在多個數(shù)據(jù)頁當(dāng)中。

有一天，我們要根據(jù)某個條件查詢數(shù)據(jù)時，需要從一個數(shù)據(jù)頁找到另一個數(shù)據(jù)頁，這時候的雙向鏈表就派上大用場了。磁盤中各數(shù)據(jù)頁的整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：通常情況下，單個數(shù)據(jù)頁默認的大小是16kb。當(dāng)然，我們也可以通過參數(shù)：innodb_page_size，來重新設(shè)置大小。不過，一般情況下，用它的默認值就夠了。

好吧，數(shù)據(jù)頁的整體結(jié)構(gòu)已經(jīng)搞明白了。

那么，單個數(shù)據(jù)頁包含哪些內(nèi)容呢？

從上圖中可以看出，數(shù)據(jù)頁主要包含如下幾個部分：

• 文件頭部
• 頁頭部
• 最大和最小記錄
• 用戶記錄
• 空閑空間
• 頁目錄
• 文件尾部

3.用戶記錄

對于新申請的數(shù)據(jù)頁，用戶記錄是空的。當(dāng)插入數(shù)據(jù)時，innodb會將一部分空閑空間分配給用戶記錄。

用戶記錄是innodb的重中之重，我們平時保存到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，就存儲在它里面。那么，它里面又包含哪些內(nèi)容呢？你不好奇嗎？

其實在innodb支持的數(shù)據(jù)行格式有四種：

1. compact行格式
2. redundant行格式
3. dynamic行格式
4. compressed行格式

我們以compact行格式為例：一條用戶記錄主要包含三部分內(nèi)容：

1. 記錄額外信息，它包含了變長字段、null值列表和記錄頭信息。
2. 隱藏列，它包含了行id、事務(wù)id和回滾點。
3. 真正的數(shù)據(jù)列，包含真正的用戶數(shù)據(jù)，可以有很多列。

下面讓我們一起了解一下這些內(nèi)容。

3.1 額外信息

額外信息并非真正的用戶數(shù)據(jù)，它是為了輔助存數(shù)據(jù)用的。

3.1.1 變長字段列表

有些數(shù)據(jù)如果直接存會有問題，比如：如果某個字段是varchar或text類型，它的長度不固定，可以根據(jù)存入數(shù)據(jù)的長度不同，而隨之變化。

如果不在一個地方記錄數(shù)據(jù)真正的長度，innodb很可能不知道要分配多少空間。假如都按某個固定長度分配空間，但實際數(shù)據(jù)又沒占多少空間，豈不是會浪費？

所以，需要在變長字段中記錄某個變長字段占用的字節(jié)數(shù)，方便按需分配空間。

3.1.2 null值列表

數(shù)據(jù)庫中有些字段的值允許為null，如果把每個字段的null值，都保存到用戶記錄中，顯然有些浪費存儲空間。

有沒有辦法只簡單的標記一下，不存儲實際的null值呢？

答案：將為null的字段保存到null值列表。

在列表中用二進制的值1，表示該字段允許為null，用0表示不允許為null。它只占用了1位，就能表示某個字符是否為null，確實可以節(jié)省很多存儲空間。

3.1.3 記錄頭信息

記錄頭信息用于描述一些特殊的屬性。

它主要包含：

• deleted_flag：即刪除標記，用于標記該記錄是否被刪除了。
• min_rec_flag：即最小目錄標記，它是非葉子節(jié)點中的最小目錄標記。
• n_owned：即擁有的記錄數(shù)，記錄該組索引記錄的條數(shù)。
• heap_no：即堆上的位置，它表示當(dāng)前記錄在堆上的位置。
• record_type：即記錄類型，其中：0表示普通記錄，1表示非葉子節(jié)點，2表示Infrimum記錄， 3表示Supremum記錄。
• next_record：即下一條記錄的位置。

3.2 隱藏列

數(shù)據(jù)庫在保存一條用戶記錄時，會自動創(chuàng)建一些隱藏列。如下圖所示：目前innodb自動創(chuàng)建的隱藏列有三種：

• db_row_id，即行id，它是一條記錄的唯一標識。
• db_trx_id，即事務(wù)id，它是事務(wù)的唯一標識。
• db_roll_ptr，即回滾點，它用于事務(wù)回滾。

如果表中有主鍵，則用主鍵做行id，無需額外創(chuàng)建。如果表中沒有主鍵，假如有不為null的unique唯一鍵，則用它做為行id，同樣無需額外創(chuàng)建。

如果表中既沒有主鍵，又沒有唯一鍵，則數(shù)據(jù)庫會自動創(chuàng)建行id。

也就是說在innodb中，隱藏列中事務(wù)id和回滾點是一定會被創(chuàng)建的，但行id要根據(jù)實際情況決定。

3.3 真正數(shù)據(jù)列

真正的數(shù)據(jù)列中存儲了用戶的真實數(shù)據(jù)，它可以包含很多列的數(shù)據(jù)。這個比較簡單，沒有什么好多說的。

3.4 用戶記錄是如何相連的？

通過上面介紹的內(nèi)容，大家對一條用戶記錄是如何存儲的，應(yīng)該有了一定的認識。

但問題來了，一條用戶記錄和另一條用戶記錄是如何相連的，innodb是怎么知道，某條記錄的下一條記錄是誰？

答案是：用前面提到過的， 記錄額外信息 》 記錄頭信息 》下一條記錄的位置。

多條用戶記錄之間通過下一條記錄的位置，組成了一個單向鏈表。這樣就能從前往后，找到所有的記錄了。

4.最大和最小記錄

從上面可以得知，在一個數(shù)據(jù)頁當(dāng)中，如果存在多條用戶記錄，它們是通過下一條記錄的位置相連的。

不過有個問題：如果才能快速找到最大的記錄和最小的記錄呢？

這就需要在保存用戶記錄的同時，也保存最大和最小記錄了。

最大記錄保存到Supremum記錄中。

最小記錄保存在Infimum記錄中。

在保存用戶記錄時，數(shù)據(jù)庫會自動創(chuàng)建兩條額外的記錄：Supremum 和 Infimum。它們之間的關(guān)系，如下圖所示：

從圖中可以看出用戶數(shù)據(jù)是從最小記錄開始，通過下一條記錄的位置，從小到大，一步步查找，最后找到最大記錄為止。

5.頁目錄

從上面可以看出，如果我們要查詢某條記錄的話，數(shù)據(jù)庫會從最小記錄開始，一條條查找所有記錄。如果中途找到了，則直接返回該記錄。如果一直找到最大記錄，還沒有找到想要的記錄，則返回空。

咋一看，沒有問題。

但如果仔細想想。

效率會不會有點低？

這不是要對整頁用戶數(shù)據(jù)進行掃描嗎？

有沒有更高效的方法？

這就需要使用頁目錄了。

說白了，就是把一頁用戶記錄分為若干組，每一組的最大記錄都保存到一個地方，這個地方就是頁目錄。每一組的最大記錄叫做槽。

由此可見，頁目錄是有多個槽組成的。所下圖所示：

假設(shè)一頁的數(shù)據(jù)分為4組，這樣在頁目錄中，就對應(yīng)了4個槽，每個槽中都保存了該組數(shù)據(jù)的最大值。

這樣就能通過二分查找，比較槽中的記錄跟需要找到的記錄的大小。如果用戶需要查找的記錄，小于當(dāng)前槽中的記錄，則向上查找上一個槽。如果用戶需要查找的記錄，大于當(dāng)前槽中的記錄，則向下查找下一個槽。

如此一來，就能通過二分查找，快速的定位需要查找的記錄了。

so easy

6.文件頭部和尾部

6.1 文件頭部

通過前面介紹的行記錄中下一條記錄的位置和頁目錄，innodb能非?？焖俚亩ㄎ荒骋粭l記錄。但有個前提條件，就是用戶記錄必須在同一個數(shù)據(jù)頁當(dāng)中。

如果用戶記錄非常多，在第一個數(shù)據(jù)頁找不到我們想要的數(shù)據(jù)，需要到另外一頁找該怎么辦呢？

這時就需要使用文件頭部了。

它里面包含了多個信息，但我只列出了其中4個最關(guān)鍵的信息：

1. 頁號
2. 上一頁頁號
3. 下一頁頁號
4. 頁類型

顧名思義，innodb是通過頁號、上一頁頁號和下一頁頁號來串聯(lián)不同數(shù)據(jù)頁的。如下圖所示：不同的數(shù)據(jù)頁之間，通過上一頁頁號和下一頁頁號構(gòu)成了雙向鏈表。這樣就能從前向后，一頁頁查找所有的數(shù)據(jù)了。

此外，頁類型也是一個非常重要的字段，它包含了多種類型，其中比較出名的有：數(shù)據(jù)頁、索引頁（目錄項頁）、溢出頁、undo日志頁等。

6.2 文件尾部

我之前提過，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)頁為單位，加載到內(nèi)存中，如果數(shù)據(jù)有更新的話，需要刷新到磁盤上。

但如果某一天比較倒霉，程序在刷新到磁盤的過程中，出現(xiàn)了異常，比如：進程被kill掉了，或者服務(wù)器被重啟了。

這時候數(shù)據(jù)可能只刷新了一部分，如何判斷上次刷盤的數(shù)據(jù)是完整的呢？

這就需要用到文件尾部。

它里面記錄了頁面的校驗和。

在數(shù)據(jù)刷新到磁盤之前，會先計算一個頁面的校驗和。后面如果數(shù)據(jù)有更新的話，會計算一個新值。文件頭部中也會記錄這個校驗和，由于文件頭部在前面，會先被刷新到磁盤上。

接下來，刷新用戶記錄到磁盤的時候，假設(shè)刷新了一部分，恰好程序出現(xiàn)異常了。這時，文件尾部的校驗和，還是一個舊值。數(shù)據(jù)庫會去校驗，文件尾部的校驗和，不等于文件頭部的新值，說明該數(shù)據(jù)頁的數(shù)據(jù)是不完整的。

7.頁頭部

通過上面介紹的內(nèi)容，數(shù)據(jù)頁之間能夠輕松訪問了，但剩下還有個比較重要的問題，就是記錄的狀態(tài)信息。

比如一頁數(shù)據(jù)到底保存了多條記錄，或者頁目錄到底使用了多個槽等。這些信息是實時統(tǒng)計，還是事先統(tǒng)計好了，保存到某個地方？

為了性能考慮，上面的這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當(dāng)然是先統(tǒng)計好，保存到一個地方。后面需要用到該數(shù)據(jù)時，再讀取出來會更好。這個保存統(tǒng)計數(shù)據(jù)的地方，就是頁頭部。

當(dāng)然頁頭部不僅僅只保存：槽的數(shù)量、記錄條數(shù)等信息。

它還記錄了：

• 已刪除記錄所占的字節(jié)數(shù)
• 最后插入記錄的位置
• 最大事務(wù)id
• 索引id
• 索引層級

其實還有很多，在這里就不一一列舉了，有興趣的朋友可以找我私聊。

總結(jié)

多個數(shù)據(jù)頁之間通過頁號構(gòu)成了雙向鏈表。而每一個數(shù)據(jù)頁的行數(shù)據(jù)之間，又通過下一條記錄的位置構(gòu)成了單項鏈表。整體架構(gòu)圖如下：