InnoDB记录存储结构

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思考并回答以下问题：

  • MySQL服务器上负责对表中数据的读取和写入工作的部分是存储引擎。怎么理解？

InnoDB页简介

MySQL服务器上负责对表中数据的读取和写入工作的部分是存储引擎，InnoDB是一个将表中的数据存储到磁盘上的存储引擎，所以即使关机后重启我们的数据还是存在的。而真正处理数据的过程是发生在内存中的，所以需要把磁盘中的数据加载到内存中，如果是处理写入或修改请求的话，还需要把内存中的内容刷新到磁盘上。而我们知道读写磁盘的速度非常慢，和内存读写差了几个数量级，所以当我们想从表中获取某些记录时，InnoDB存储引擎需要一条一条的把记录从磁盘上读出来么？不，那样会慢死，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16KB。也就是在一般情况下，一次最少从磁盘中读取16KB的内容到内存中，一次最少把内存中的16KB内容刷新到磁盘中。

InnoDB行格式

我们平时是以记录为单位来向表中插入数据的，这些记录在磁盘上的存放方式也被称为行格式或者记录格式。设计InnoDB存储引擎的大叔们到现在为止设计了4种不同类型的行格式，分别是Compact（紧凑的）、Redundant（冗余的）、Dynamic和Compressed行格式，随着时间的推移，他们可能会设计出更多的行格式，但是不管怎么变，在原理上大体都是相同的。

指定行格式的语法

我们可以在创建或修改表的语句中指定行格式：

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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

比如我们在xiaohaizi数据库里创建一个演示用的表record_format_demo，可以这样指定它的行格式：
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mysql> USE xiaohaizi;
Database changed

mysql> CREATE TABLE record_format_demo (
    ->     c1 VARCHAR(10),
    ->     c2 VARCHAR(10) NOT NULL,
    ->     c3 CHAR(10),
    ->     c4 VARCHAR(10)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=COMPACT;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

可以看到我们刚刚创建的这个表的行格式就是Compact，另外，我们还显式指定了这个表的字符集为ascii，因为ascii字符集只包括空格、标点符号、数字、大小写字母和一些不可见字符，所以我们的汉字是不能存到这个表里的。我们现在向这个表中插入两条记录：
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mysql> INSERT INTO record_format_demo(c1, c2, c3, c4) VALUES('aaaa', 'bbb', 'cc', 'd'), ('eeee', 'fff', NULL, NULL);
Query OK, 2 rows affected (0.02 sec)
Records: 2  Duplicates: 0  Warnings: 0

现在表中的记录就是这个样子的：
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mysql> SELECT * FROM record_format_demo;
+------+-----+------+------+
| c1   | c2  | c3   | c4   |
+------+-----+------+------+
| aaaa | bbb | cc   | d    |
| eeee | fff | NULL | NULL |
+------+-----+------+------+
2 rows in set (0.00 sec)

mysql>

演示表的内容也填充好了，现在我们就来看看各个行格式下的存储方式到底有啥不同吧～

COMPACT行格式

废话不多说，直接看图：

大家从图中可以看出来，一条完整的记录其实可以被分为记录的额外信息和记录的真实数据两大部分，下边我们详细看一下这两部分的组成。

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、NULL值列表和记录头信息，我们分别看一下。

变长字段长度列表

我们知道MySQL支持一些变长的数据类型，比如VARCHAR(M)、VARBINARY(M)、各种TEXT类型，各种BLOB类型，我们也可以把拥有这些数据类型的列称为变长字段，变长字段中存储多少字节的数据是不固定的，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，这样才不至于把MySQL服务器搞懵，所以这些变长字段占用的存储空间分为两部分：

1，真正的数据内容

2，占用的字节数

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，各变长字段数据占用的字节数按照列的顺序逆序存放，我们再次强调一遍，是逆序存放！

我们拿record_format_demo表中的第一条记录来举个例子。因为record_format_demo表的c1、c2、c4列都是VARCHAR(10)类型的，也就是变长的数据类型，所以这三个列的值的长度都需要保存在记录开头处，因为record_format_demo表中的各个列都使用的是ascii字符集，所以每个字符只需要1个字节来进行编码，来看一下第一条记录各变长字段内容的长度：

列名
存储内容
内容长度（十进制表示）
内容长度（十六进制表示）
c1 ‘aaaa’ 4 0x04
c2 ‘bbb’ 3 0x03
c4 ‘d’ 1 0x01

又因为这些长度值需要按照列的逆序存放，所以最后变长字段长度列表的字节串用十六进制表示的效果就是（各个字节之间实际上没有空格，用空格隔开只是方便理解）：

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01 03 04

把这个字节串组成的变长字段长度列表填入上边的示意图中的效果就是：

由于第一行记录中c1、c2、c4列中的字符串都比较短，也就是说内容占用的字节数比较小，用1个字节就可以表示，但是如果变长列的内容占用的字节数比较多，可能就需要用2个字节来表示。具体用1个还是2个字节来表示真实数据占用的字节数，InnoDB有它的一套规则。

对于一些占用字节数非常多的字段，比方说某个字段长度大于了16KB，那么如果该记录在单个页面中无法存储时，InnoDB会把一部分数据存放到所谓的溢出页中（我们后边会唠叨），在变长字段长度列表处只存储留在本页面中的长度，所以使用两个字节也可以存放下来。

另外需要注意的一点是，变长字段长度列表中只存储值为 非NULL 的列内容占用的长度，值为NULL的列的长度是不储存的 。也就是说对于第二条记录来说，因为c4列的值为NULL，所以第二条记录的变长字段长度列表只需要存储c1和c2列的长度即可。其中c1列存储的值为‘eeee’，占用的字节数为4，c2列存储的值为‘fff’，占用的字节数为3。数字4可以用1个字节表示，3也可以用1个字节表示，所以整个变长字段长度列表共需2个字节。填充完变长字段长度列表的两条记录的对比图如下：

小贴士：并不是所有记录都有这个变长字段长度列表部分，比方说表中所有的列都不是变长的数据类型的话，这一部分就不需要有。

NULL值列表

我们知道表中的某些列可能存储NULL值，如果把这些NULL值都放到记录的真实数据中存储会很占地方，所以Compact行格式把这些值为NULL的列统一管理起来，存储到NULL值列表中，它的处理过程是这样的：

1，首先统计表中允许存储NULL的列有哪些。

我们前边说过，主键列、被NOT NULL修饰的列都是不可以存储NULL值的，所以在统计的时候不会把这些列算进去。比方说表record_format_demo的3个列c1、c3、c4都是允许存储NULL值的，而c2列是被NOT NULL修饰，不允许存储NULL值。

2，如果表中没有允许存储 NULL 的列，则 NULL值列表 也不存在了，否则将每个允许存储NULL的列对应一个二进制位，二进制位按照列的顺序逆序排列，二进制位表示的意义如下：

  • 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。

因为表record_format_demo有3个值允许为NULL的列，所以这3个列和二进制位的对应关系就是这样：

再一次强调，二进制位按照列的顺序逆序排列，所以第一个列c1和最后一个二进制位对应。

3，MySQL规定NULL值列表必须用整数个字节的位表示，如果使用的二进制位个数不是整数个字节，则在字节的高位补0。

表record_format_demo只有3个值允许为NULL的列，对应3个二进制位，不足一个字节，所以在字节的高位补0，效果就是这样：

以此类推，如果一个表中有9个允许为NULL，那这个记录的NULL值列表部分就需要2个字节来表示了。

知道了规则之后，我们再返回头看表record_format_demo中的两条记录中的NULL值列表应该怎么储存。因为只有c1、c3、c4这3个列允许存储NULL值，所以所有记录的NULL值列表只需要一个字节。

  • 对于第一条记录来说，c1、c3、c4这3个列的值都不为NULL，所以它们对应的二进制位都是0，画个图就是这样：

所以第一条记录的NULL值列表用十六进制表示就是：0x00。

  • 对于第二条记录来说，c1、c3、c4这3个列中c3和c4的值都为NULL，所以这3个列对应的二进制位的情况就是：

所以第二条记录的NULL值列表用十六进制表示就是：0x06。

所以这两条记录在填充了NULL值列表后的示意图就是这样：

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：

这些二进制位代表的详细信息如下表：

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

大家不要被这么多的属性和陌生的概念给吓着，我这里只是为了内容的完整性把这些位代表的意思都写了出来，现在没必要把它们的意思都记住，记住也没啥用，现在只需要看一遍混个脸熟，等之后用到这些属性的时候我们再回过头来看。

因为我们并不清楚这些属性详细的用法，所以这里就不分析各个属性值是怎么产生的了，之后我们遇到会详细看的。所以我们现在直接看一下record_format_demo中的两条记录的头信息分别是什么：

小贴士：再一次强调，大家如果看不懂记录头信息里各个位代表的概念千万别纠结，我们后边会说的～

记录的真实数据

对于record_format_demo表来说，记录的真实数据除了c1、c2、c3、c4这几个我们自己定义的列的数据以外，MySQL会为每个记录默认的添加一些列（也称为隐藏列），具体的列如下：

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

小贴士：实际上这几个列的真正名称其实是：DB_ROW_ID、DB_TRX_ID、DB_ROLL_PTR，我们为了美观才写成了row_id、transaction_id和roll_pointer。

这里需要提一下InnoDB表对主键的生成策略：优先使用用户自定义主键作为主键，如果用户没有定义主键，则选取一个Unique键作为主键，如果表中连Unique键都没有定义的话，则InnoDB会为表默认添加一个名为row_id的隐藏列作为主键。所以我们从上表中可以看出：InnoDB存储引擎会为每条记录都添加transaction_id和roll_pointer这两个列，但是row_id是可选的（在没有自定义主键以及Unique键的情况下才会添加该列）。这些隐藏列的值不用我们操心，InnoDB存储引擎会自己帮我们生成的。

因为表record_format_demo并没有定义主键，所以MySQL服务器会为每条记录增加上述的3个列。现在看一下加上记录的真实数据的两个记录长什么样吧：

看这个图的时候我们需要注意几点：

1，表record_format_demo使用的是ascii字符集，所以0x61616161就表示字符串’aaaa’，0x626262就表示字符串’bbb’，以此类推。

2，注意第1条记录中c3列的值，它是CHAR(10)类型的，它实际存储的字符串是：’cc’，而ascii字符集中的字节表示是’0x6363’，虽然表示这个字符串只占用了2个字节，但整个c3列仍然占用了10个字节的空间，除真实数据以外的8个字节的统统都用空格字符填充，空格字符在ascii字符集的表示就是0x20。

3，注意第2条记录中c3和c4列的值都为NULL，它们被存储在了前边的NULL值列表处，在记录的真实数据处就不再冗余存储，从而节省存储空间。

CHAR(M)列的存储格式

record_format_demo表的c1、c2、c4列的类型是VARCHAR(10)，而c3列的类型是CHAR(10)，我们说在Compact行格式下只会把变长类型的列的长度逆序存到变长字段长度列表中，就像这样：

但是这只是因为我们的record_format_demo表采用的是ascii字符集，这个字符集是一个定长字符集，也就是说表示一个字符采用固定的一个字节，如果采用变长的字符集（也就是表示一个字符需要的字节数不确定，比如gbk表示一个字符要1～2个字节、utf8表示一个字符要1~3个字节等）的话，c3列的长度也会被存储到变长字段长度列表中，比如我们修改一下record_format_demo表的字符集：

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mysql> ALTER TABLE record_format_demo MODIFY COLUMN c3 CHAR(10) CHARACTER SET utf8;
Query OK, 2 rows affected (0.02 sec)
Records: 2  Duplicates: 0  Warnings: 0

修改该列字符集后记录的变长字段长度列表也发生了变化，如图：

这就意味着：对于 CHAR(M) 类型的列来说，当列采用的是定长字符集时，该列占用的字节数不会被加到变长字段长度列表，而如果采用变长字符集时，该列占用的字节数也会被加到变长字段长度列表。

另外有一点还需要注意，变长字符集的CHAR(M)类型的列要求至少占用M个字节，而VARCHAR(M)却没有这个要求。比方说对于使用utf8字符集的CHAR(10)的列来说，该列存储的数据字节长度的范围是10～30个字节。即使我们向该列中存储一个空字符串也会占用10个字节，这是怕将来更新该列的值的字节长度大于原有值的字节长度而小于10个字节时，可以在该记录处直接更新，而不是在存储空间中重新分配一个新的记录空间，导致原有的记录空间成为所谓的碎片。（这里你感受到设计Compact行格式的大叔既想节省存储空间，又不想更新CHAR(M)类型的列产生碎片时的纠结心情了吧。）

Dynamic和Compressed行格式

下边要介绍另外两个行格式，Dynamic和Compressed行格式，我现在使用的MySQL版本是5.7，它的默认行格式就是Dynamic，这俩行格式和Compact行格式挺像，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字段真实数据的前768个字节，而是把所有的字节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，就像这样：

Compressed行格式和Dynamic不同的一点是，Compressed行格式会采用压缩算法对页面进行压缩，以节省空间。

总结

1，页是MySQL中磁盘和内存交互的基本单位，也是MySQL管理存储空间的基本单位。

2，指定和修改行格式的语法如下：

1
2
3
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

3，InnoDB目前定义了4种行格式

  • COMPACT行格式

具体组成如图：

  • Redundant行格式

具体组成如图：

  • 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字符串的前768个字节，而是把所有的字节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。

4，一个页一般是16KB，当记录中的数据太多，当前页放不下的时候，会把多余的数据存储到其他页中，这种现象称为行溢出。

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