Metaphor

Page Structure

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简介

数据库以**页（Page）**作为基本存储单位。InnoDB 默认页大小为 16KB，是数据读写、缓存、刷盘的最小单位。

InnoDB Page 类型

InnoDB 使用不同页类型管理不同数据：

Page Type说明
FIL_PAGE_INDEXB-tree 索引页（数据 + 二级索引）
FIL_PAGE_UNDO_LOGUndo 日志页（MVCC 回滚历史）
FIL_PAGE_INODE段描述符页（管理 extent）
FIL_PAGE_IBUF_FREE_LISTInsert Buffer 空闲列表
FIL_PAGE_TYPE_SYS系统页
FIL_PAGE_TYPE_BLOB溢出页（大字段存储）

InnoDB Index Page 布局

一个完整的 B-tree 索引页（FIL_PAGE_INDEX）布局如下：

┌──────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        File Header (38 bytes)                     │
│  页号、Space ID、校验和、LSN、页类型                                │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        Page Header (56 bytes)                     │
│  Heap top、Free list、Record count、Direction                      │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Infimum Record (13 bytes)                      │
│  虚拟最小记录，作为链表哨兵                                         │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    Supremum Record (13 bytes)                     │
│  虚拟最大记录，作为链表哨兵                                         │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                         User Records                               │
│  实际数据记录（从顶部向下增长）                                      │
│  通过 next_record 指针构成单向链表                                  │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                          Free Space                                │
│  空闲空间（中间区域）                                               │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                       Page Directory                              │
│  槽数组，每槽 2 字节，指向 records（从底部向上增长）                  │
├──────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      File Trailer (8 bytes)                       │
│  校验和 + LSN 末尾，用于检测页损坏                                   │
└──────────────────────────────────────────────────────────────────┘

各区域详解

File Header（偏移 0-38）

字段大小说明
FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM4页校验和
FIL_PAGE_OFFSET4页号
FIL_PAGE_PREV4前一页（用于 B-tree 叶子节点链表）
FIL_PAGE_NEXT4下一页（用于 B-tree 叶子节点链表）
FIL_PAGE_LSN8最后修改的日志序列号
FIL_PAGE_TYPE2页类型
FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN8仅在 SYSTEM 表空间中使用的 LSN
FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO4归档日志号

Page Header（偏移 38-94）

字段大小说明
PAGE_N_HEAP2堆中的记录数（包括 infimum/supremum）
PAGE_FREE2空闲空间首地址
PAGE_GARBAGE2已删除记录占用的字节数
PAGE_LAST_INSERT2最后插入位置
PAGE_DIRECTION2最后插入方向
PAGE_N_DIRECTION2同方向连续插入次数
PAGE_N_RECS2用户记录数（不含 infimum/supremum）
PAGE_MAX_TRX_ID8最大事务ID（仅叶子节点）
PAGE_LEVEL2B-tree 中的层级（叶子节点 = 0）
PAGE_INDEX_ID8索引 ID

Infimum 和 Supremum

每个页包含两个虚拟记录作为哨兵：

  • Infimum：比任何用户记录都小，链表的起始点
  • Supremum：比任何用户记录都大，链表的终点

用户记录通过 next_record 指针构成单向链表：infimum → record1 → record2 → ... → supremum

Record 格式（COMPACT Row Format）

COMPACT 是 MySQL 5.0+ 引入的记录格式，相比 REDUNDANT 节省约 20% 空间。

记录头（5 字节）

┌─────────┬─────────┬──────────┬─────────────┬─────────────────┐
│ offset  │ offset  │          │             │                 │
│ 1-2     │ 3-4     │ bit 5-8  │ bit 1-4     │ bit 5-8         │
│ next_record │ heap_no |   flags   │ owned_count | record_type    │
└─────────┴─────────┴──────────┴─────────────┴─────────────────┘
  • next_record：到下一记录的偏移
  • heap_no：在堆中的位置序号
  • flags：deleted_flag、min_rec_flag
  • owned_count：此记录拥有的 page directory 槽数
  • record_type：0=普通记录, 1=B-tree 非叶子节点, 2=infimum, 3=supremum

变长列长度数组

每个变长列（VARCHAR, VARBINARY）占用 1-2 字节：

  • 长度 ≤ 255：1 字节
  • 长度 > 255：2 字节

NULL Bitmap

允许 NULL 的列，每列对应 1 位。

Row Format 对比

特性REDUNDANTCOMPACTDYNAMICCOMPRESSED
引入版本MySQL 4.1MySQL 5.0MySQL 5.7MySQL 5.7
空间节省基准~20%与 COMPACT 相同最大
变长列存储768字节+指针768字节+指针完全 off-page完全 off-page
前缀索引不支持不支持支持 3072 字节支持 3072 字节
压缩否否否是

DYNAMIC/COMPACT 的 Off-page 策略

当列值过长无法放入 B-tree 节点时：

  1. COMPACT/DYNAMIC：存储前 768 字节 + 20 字节指针
  2. 完全 off-page：仅存储 20 字节指针，实际数据在独立的溢出页链表
-- 查看表使用的 row format
SELECT row_format 
FROM information_schema.tables 
WHERE table_schema = 'mydb' AND table_name = 'orders';

Overflow Page（溢出页）

何时使用

当 BLOB、TEXT、VARCHAR 等变长列无法fit入页时，使用溢出页存储：

-- TEXT/BLOB <= 40 字节总是 in-row 存储
-- 超过限制则 off-page 存储

溢出页链表

每个 off-page 列有一个单向链表：

B-tree 记录 → Overflow Page 1 → Overflow Page 2 → ... → Overflow Page N
  (20字节指针)

Page Directory（二分查找）

结构

页底部的 Page Directory 是有序的 2 字节槽数组，每个槽指向一条记录。

查找过程

  1. 二分查找定位槽范围
  2. 线性扫描槽内记录链表

这使得页内查找时间从 O(n) 降为 O(log n + k)。

Checksum 与数据完整性

校验机制

  • File Header：存储页校验和
  • File Trailer：存储校验和 + LSN 末尾

校验和算法

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_checksum_algorithm';
-- crc32（默认，硬件加速）
-- strict_* 变体会拒绝无效校验和的页

读取页时重新计算校验和并与存储值比较，不一致则报告错误。

B+Tree 中的 Page 结构

叶子节点

  • 存储完整的行数据（聚簇索引）
  • 通过 FIL_PAGE_PREV/NEXT 构成双向链表
  • 包含 DB_TRX_ID 和 DB_ROLL_PTR（MVCC 用）

非叶子节点

  • 存储索引键 + 子页号（而不是行数据）
  • 不包含 MVCC 字段
  • 通过子页号导航 B-tree

实战注意事项

行大小限制

单行数据必须能够放入一个页：

  • 所有 in-row 列的总和 ≤ 页大小的一半（约 8KB）
  • 超出的列必须 off-page 存储

页碎片

频繁更新会导致页内碎片：

  • 删除记录后空间进入 PAGE_GARBAGE
  • 新记录优先复用 PAGE_FREE 空间

参考资料

关系图谱