mysql page 内存结构和磁盘结构 mysql内存原理

一、InnoDb行格式、数据页结构以及索引底层原理分析

Mysql架构图

存储引擎负责对表中的数据的进行读取和写入，常用的存储引擎有InnoDB、MyISAM、Memory等，不同的存储
引擎有自己的特性，数据在不同存储引擎中存放的格式也是不同的，比如Memory都不用磁盘来存储数据。

在InnoDB中，数据会存储到磁盘上，在真正处理数据时需要先将数据加载到内存，表中读取某些记录时，
InnoDB存储引擎不需要一条一条的把记录从磁盘上读出来，InnoDB采取的方式是：将数据划分为若干个页，以
页作为磁盘和内存之间交互的基本单位，InnoDB中页的大小一般为 16 KB，也就是说，当需要从磁盘中读数据时
每一次最少将从磁盘中读取16KB的内容到内存中，每一次最少也会把内存中的16KB内容写到磁盘中。

局部性原理

在InnoDB中，数据会存储到磁盘上，在真正处理数据时需要先将数据加载到内存，表中读取某些记录时，InnoDB存储引擎不需要一条一条的把记录从磁盘上读出来，InnoDB采取的方式是：将数据划分为若干个页，以页作为磁盘和内存之间交互的基本单位，InnoDB中页的大小一般为 16 KB，也就是说，当需要从磁盘中读数据时每一次最少将从磁盘中读取16KB的内容到内存中，每一次最少也会把内存中的16KB内容写到磁盘中。

原因是一次性取出较多的数据，下次就不再需要进行磁盘IO了。

InnoDB数据页结构

页是InnoDB管理存储空间的基本单位，一个页的大小默认是16KB。

SHOW GLOBAL STATUS like 'Innodb_page_size';

页结构：

名称	中文名	占用空间	简单描述
File Header	文件头部	38字节	页的一些通用信息
Page Header	页面头部	56字节	数据页专有的一些信息
Infimum + Supremum	最小记录和最大记录	26字节	两个虚拟的行记录
User Records	用户记录	不确定	实际存储的行记录内容
Free Space	空闲空间	不确定	页中尚未使用的空间
Page Directory	页面目录	不确定	页中的某些记录的相对位置
File Trailer	文件尾部	8字节	校验页是否完整

InnoDB行格式

一行记录可以以不同的格式存在InnoDB中，行格式分别是Compact、Redundant、Dynamic和Compressed行格式。

我们可以在创建或修改表的语句中指定行格式：

CREATE TABLE 表名 (列的信息) ROW_FORMAT=行格式名称
ALTER TABLE 表名 ROW_FORMAT=行格式名称

COMPACT行格式

记录的额外信息

这部分信息是服务器为了描述这条记录而不得不额外添加的一些信息，这些额外信息分为3类，分别是：

• 变长字段长度列表：如varchar字段的真实长度。
• NULL值列表：如一行中某些字段可以为null，这时候为了节省空间，可以不去填充这些空位，而采用记录的方式。比如五个字段a~e,如果出了主键外其他都为null，可以记录：0 1 1 1 1，1表示为null。
• 记录头信息

如果一张表中没有变长字段或者NULL值，那么这些区域会自动消失，它们也不再会占用相应的空间！

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。

CHAR是一种固定长度的类型，VARCHAR则是一种可变长度的类型。

VARCHAR(M)，M代表最大能存多少个字符。( MySQL5.0.3以前是字节，以后就是字符)

NULL值列表

Compact行格式会把可以为NULL的列统一管理起来，存一个标记为在NULL值列表中，如果表中没有允许存储 NULL 的列，则 NULL值列表也不存在了。

• 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。

记录头信息

除了变长字段长度列表、NULL值列表之外，还有一个用于描述记录的记录头信息，它是由固定的5个字节组成。5个字节也就是40个二进制位，不同的位代表不同的意思，如图：

名称	大小（单位：bit）	描述
预留位1	1	没有使用
预留位2	1	没有使用
delete_mask	1	标记该记录是否被删除
min_rec_mask	1	B+树的每层非叶子节点中的最小记录都会添加该标记
n_owned	4	表示当前记录拥有的记录数
heap_no	13	表示当前记录在记录堆的位置信息
record_type	3	表示当前记录的类型，0表示普通记录，1表示B+树非叶子节点记录，2表示最小记录，3表示最大记录
next_record	16	表示下一条记录的相对位置

记录的真实数据

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：

列名	是否必须	占用空间	描述
row_id	否	6字节	行ID，唯一标识一条记录
transaction_id	是	6字节	事务ID
roll_pointer	是	7字节	回滚指针

实际上这几个列的真正名称其实是：DB_ROW_ID、DB_TRX_ID、DB_ROLL_PTR。

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。

行溢出数据

VARCHAR(M)类型的列最多可以占用65535个字节。其中的M代表该类型最多存储的字符数量，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：

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->     c VARCHAR(65535)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
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
mysql>

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）占用的字节长度加起来不能超过65535个字节。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，比如说我们为了存储一个VARCHAR(M)类型的列，其实需要占用3部分存储空间：

1. 真实数据
2. 变长字段真实数据的长度
3. NULL值标识

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。

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->      c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

CREATE TABLE varchar_size_demo(
    c VARCHAR(65533) not null
) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

记录中的数据太多产生的溢出

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。

在Compact和Reduntant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，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。

Dynamic和Compressed行格式

这两种行格式类似于COMPACT行格式，只不过在处理行溢出数据时有点儿分歧，它们不会在记录的真实数据处存储一部分数据，而是把所有的数据都存储到其他页面中，只在记录的真实数据处存储其他页面的地址。另外，Compressed行格式会采用压缩算法对页面进行压缩。

索引

索引的产生过程看视频吧…

**注意：**在InnoDB表中插入的数据会按照主键ID自动排序，叫做聚表；而在MyISAM表中插入，会按照插入的顺序记录，叫做堆表。

InnoDB在页中插入数据时，会按照主键值自动进行排序，并连接到下一条记录上。此时如果说我们插入的时候采用的自增主键的方式，那么在页中就不需要通过移动进行主键排序，会提高性能，所以通常我们会采用自增主键的方式来提高效率。

这时候会出现一个问题，如果有一张表只有一个int字段，而且字段占用的内存很小，那么存储的时候，一页上可能会很多行记录。而页中数据是按照链表的形式存储的，本身就不利于查找。所以在页中存在一个“Page Director”页目录的结构，用于对分组后的数据进行快速查询，一组中主键最小的值会存在页目录中，类似于给这些数据加了一个目录。

而页目录中的数据是相邻的，可以理解为一个数组，而且其中的数据是递增的。这里还可以使用二分法来提高对数组的查找效率。

此时如果一次性的数据很多，会出现另外一个问题，一页存不下，此时需要开辟更多的页来进行存储。页之间会使用指针相连，同时为了可以快速确定查找的数据在哪一页，同时需要对整个页创建目录。通过key-value的形式，value存储的是页号，key存储的是这一页中最小的主键最小的值。然后可以通过比较“页目录”快速的确定查询的数据所在的页，然后在页中再通过页目录（数组）来定位查询数据的位置。

然后我们对上面的图进行抽象，就可以得到一个树：B+树。

这样随着数据的增多还会产生新的问题，页目录不断增多的情况下，也会产生更多的页目录，这就需要对页目录再进行目录的创建，这样，整个树的入口一直在变化。

为了解决这个问题，在创建表的时候会生成一页，然后插入数据的时候会复制这一页，然后在复制后的页中插入数据。这样第一页就永远不会变化，就可以作为数的入口，也称为根页。新增的页只会在复制后的页后面。

此时如果根页存储满了，会拷贝最后一页：

聚簇索引

聚簇索引的特点：

1. 按主键值的大小进行记录和页的排序：

• 数据页(叶子节点)里的记录是按照主键值从小到大排序的一个单向链表。
• 数据页(叶子节点)之间也是是按照主键值从小到大排序的一个双向链表。
• B+树中同一个层的页目录也是按照主键值从小到大排序的一个双向链表。

2. B+树的叶子节点存储的是完整的用户记录，就是指这个记录中存储了所有列的值（包括隐藏列）。
   具有这两种特性的B+树称为聚簇索引，所有完整的用户记录都存放在这个聚簇索引的叶子节点处。这种聚簇索引并不需要我们在MySQL语句中显式的使用INDEX语句去创建。InnoDB存储引擎会自动的为我们创建聚簇索引。在InnoDB存储引擎中，聚簇索引就是数据的存储方式（所有的用户记录都存储在了叶子节点），也就是所谓的索引即数据，数据即索引。

二级索引（复制索引）

聚簇索引只能在搜索条件是主键值时才能发挥作用，因为B+树中的数据都是按照主键进行排序的。当我们想以别的列作为搜索条件时我们可以多建几棵B+树，不同的B+树中的数据采用不同的排序规则。

二级索引与聚簇索引有几处不同：

1. 按指定的索引列的值来进行排序
2. 叶子节点存储的不是完整的用户记录，而只是索引列+主键。
3. 目录项记录中不是主键+页号，变成了索引列+页号。
4. 在对二级索引进行查找数据时，需要根据主键值去聚簇索引中再查找一遍完整的用户记录，这个过程叫做回表

联合索引

以多个列的大小为排序规则建立的B+树称为联合索引，本质上也是一个二级索引。

目录项记录的唯一性

我们需要保证在B+树的同一层内节点的目录项记录除页号这个字段以外是唯一的。所以对于二级索引的内节点的目录项记录的内容实际上是由三个部分构成的：

• 索引列的值
• 主键值
• 页号

B+树索引总结

1. 每个索引都对应一棵B+树。用户记录都存储在B+树的叶子节点，所有目录记录都存储在非叶子节点。
2. InnoDB存储引擎会自动为主键（如果没有它会自动帮我们添加）建立聚簇索引，聚簇索引的叶子节点包含完整的用户记录。
3. 可以为指定的列建立二级索引，二级索引的叶子节点包含的用户记录由索引列 + 主键组成，所以如果想通过二级索引来查找完整的用户记录的话，需要通过回表操作，也就是在通过二级索引找到主键值之后再到聚簇索引中查找完整的用户记录。
4. B+树中每层节点都是按照索引列值从小到大的顺序排序而组成了双向链表，而且每个页内的记录（不论是用户记录还是目录项记录）都是按照索引列的值从小到大的顺序而形成了一个单链表。如果是联合索引的话，则页面和记录先按照联合索引前边的列排序，如果该列值相同，再按照联合索引后边的列排序。
5. 通过索引查找记录是从B+树的根节点开始，一层一层向下搜索。由于每个页面都按照索引列的值建立了页目录，所以在这些页面中的查找非常快。

创建联合索引：在创建其他索引的时候也会创建B+树，只是排序的规则是不一样的。

对应的索引结构为：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-LtpIHKkA-1591063269260)(assets/image-20200601200027359.png)]

**注意：其实叶子节点之间是双向连接的！**这里没有画出来！

创建的辅助索引的叶子节点只会保存索引（包含复合索引）所在行的主键！如果保存整行数据的话，会出现冗余。所以只保存主键，进行回表操作查询整行数据。

此时根据上面创建的复合索引C1(b,c,d），我们执行先看的查询：

select * from t1 where b = 1 and c = 1 and d = 1;

此时会根据索引找到111的叶子节点，然后获取该叶子节点的数据，即主键ID，然后根据这个主键ID去聚集索引中查询（InnoDB的聚集索引存储了整行的数据），这个过程称为回表操作。