在MySQL架構和存儲引擎專題中介紹了使用不同存儲引擎創(chuàng)建表時生成的表空間數據文件，在本章節(jié)主要介紹使用InnoDB存儲引擎創(chuàng)建表時生成的表空間數據文件

???‍??一、什么是表空間結構

創(chuàng)建表時生成的數據文件在哪里?

表空間文件是用來存儲表中數據的文件，表空間文件的大小由存儲的數據多少決定，不同的表空間文件存儲數據的種類也有所不同

在MySQL中表空間分為五類，包括: 系統(tǒng)表空間、獨立表空間、通用表空間、臨時表空間 和 撤銷表空間，這些在上面的InnoDB架構圖中都有體現(xiàn)。

1.1 表空間與表空間文件的關系是什么?

表空間可以理解為MySOL為了管理數據而設計的一種數據結構，主要描述的對結構的定義，表空間文件是對定義的具體實現(xiàn)，以文件的形式存在于磁盤上

系統(tǒng)表空間、獨立表空間、通用表空間、臨時表空間和撤銷表空間的作用?
后面我們會詳細介紹每種類型的表空間的作用。

???‍??二、用戶數據在表空間中是怎么存儲的?

• 首先明確一點，用戶的數據以數據行的方式存儲在對應的表空間文件中，那么表空間中很多個數據行就需要進行管理，以便后續(xù)進行高效的查詢;
• 為了方便管理，表空間由段(segment)、區(qū)組(group)、區(qū)(extent)、頁(page)、數據行組成其中頁是 InnoDB 磁盤管理的最小單位;

???‍??三、為什么要使用頁這個數據管理單元?

• 首先要明確一點，MySQL中的頁是應用層的一個概念，是MySQL根據自身的應用場景，定義的一種數據結構。
• 通常操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)在管理磁盤文件時以4KB大小為一個管理單元，稱為"數據塊"，但是在數據庫的應用場景里，查詢時數據量都比較大，如果也使用4KB做數據存儲的最小的單元，就顯的有點小了，同時會造成頻繁的磁盤1/0，導致降低效率;
• 所以MySQL根據自身情況定義了大小為16KB的頁，做為磁盤管理的最小單位;
• 每次內存與磁盤的交互至少讀取一頁，所以在磁盤中每個頁內部的地址都是連續(xù)的，之所以這樣做，是因為在使用數據的過程中，根據局部性原理，將來要使用的數據大概率與當前訪問的數據在空間上是臨近的，所以一次從磁盤中讀取一頁的數據放入內存中，當下次查詢的數據還在這個頁中時就可以從內存中直接讀取，從而減少磁盤I/0，提高性能

MySQL根據自身的應用場景使用頁做為數據管理單元，最主要的目的就是減少磁盤I0，提高性能。

3.1 什么是局部性原理?

局部性原理是指程序在執(zhí)行時呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，在一段時間內，整個程序的執(zhí)行僅限于程序中的某一部分。相應地，執(zhí)行所訪問的存儲空間也局限于某個內存區(qū)域，局部性通常有兩種形式:時間局部性和空間局部性。

• 時間局部性(TemporalLocality): 如果一個信息項正在被訪問，那么在近期它很可能還會被再次訪問。
• 空間局部性(SpatialLocality): 將來要用到的信息大概率與正在使用的信息在空間地址上是臨近的。

???‍??四、數據頁有哪些基本特性是必須要掌握的? - 頁

• 頁的 16KB 的大小是MySQL的一個默認設置，可以適用于大多數場景，當然也可以根據自己的實際業(yè)務場景進行修改頁的大小，通過系統(tǒng)變量 innodb_page_size 進行調整與查看，在調整頁大小的時候需要保證設置的值是操作系統(tǒng)"數據塊"4KB的整數倍，從而保證通過操作系統(tǒng)和磁盤交互時"數據塊"的完整性，不被分割或浪費，所以規(guī)定了 innodb_page_size 可以設置的值，分別是 4096、8192、16384、32768、65536，對應4KB、8KB、16KB、32KB、64KB:
• 每一個頁中即使沒有數據也會使用 16KB 的存儲空間，同時與索引的B+樹中的節(jié)點對應，后續(xù)在索引專題中詳細講解B+樹的內容，查看頁的大小，可以通過系統(tǒng)變量 innodb_page_size 查看

mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';
+------------------+-------+
| Variable_name | Value |
+------------------+-------+
| innodb_page_size | 16384 | # 16KB
+------------------+-------+
1 row in set, 1 warning (0.04 sec)

在不同的使用場景中，頁的結構也有所不同，在MVSOL中有多種不同類型的頁，但不論哪種類型的頁都會包含頁頭(File Header)和頁尾(File Trailer)，在這頁頭和頁尾之間的頁主體信息根據不同的類型有不同的結構，最常用的就是用來存儲數據和索引的"索引頁"，也叫做"數據頁"，頁的主體信息使用數據"行"進行填充，行的結構我們在下面的章節(jié)中進行詳細介紹，頁的基本結構如下圖所示:

???‍??五、查詢的數據超過一頁的大小，怎么提高查詢效率? - 區(qū)

要解答這個問題，我們先要弄明白前置的幾個小問題，首先通過前面的內容，我們了解到磁盤中每個頁內部的地址都是連續(xù)的，那么我們可以繼續(xù)提問:

1. 不同的頁在磁盤中是不是連續(xù)的?
2. 如果頁不連續(xù)對訪問效率是否有影響?
3. InnoDB如何保證頁在磁盤中的連續(xù)性?

解決以上三個小問題之后當前的問題自然也就解決了，我們接著往下看。

5.1 不同的頁在磁盤中是不是連續(xù)的呢?

• 答案是不一定，在不做任何控制的情況下，不同頁在磁盤中申請的地址大概率是不連續(xù)的。
• 我們可以很快的分析出來連續(xù)的地址對查詢效率的影響，如果頁在磁盤中可以被連續(xù)讀取，那么查詢效率就高，否則果詢效率就低。

5.2 為什么不連續(xù)的地址會降低查詢的效率?

• 當存儲介質是機械硬盤時，訪問不連續(xù)的地址會帶來磁盤尋址的開銷，也就是磁頭在不同盤面、磁道和扇區(qū)的機械轉動，這個過程稱為 磁盤隨機訪問，非常影響效率，磁盤結構如下圖所示:

扇區(qū)是磁盤中存儲數據的最小單位，固定為 512B

經過以上的分析，當查詢的數據大于一頁時不加任何控制會產生磁盤隨機訪問 ，這個是影響查詢效率的主要因素，那么現(xiàn)在怎么提高查詢效率的問題就變成了，頁在磁盤中是否連續(xù)的問題，我們換個問法。

5.3 InnoDB如何保證頁在磁盤中的連續(xù)性?

• 為了解決磁盤隨機訪問非常低效的問題，需要盡可能在磁道上讀取連續(xù)的數據，減少磁頭的移動，從而提升效率，MySQL使用 Extent(區(qū)) 這個結構來管理頁，規(guī)定每個區(qū)固定大小為 1MB ，可以存放 64 個頁，這時如果跨頁讀數據時，大概率都在附近的地址，可以大幅減少碰頭移動;

提示: 我們學習的主要是解決問題的思路，大家要搞懂為什么要有區(qū)以及區(qū)解決了什么問題，至于區(qū)的固定大小不用刻意去記，現(xiàn)階段是1MB，以后的版本會不會改變也說不好。同時，如果頻繁的讀取某個區(qū)中的頁，可以把整個區(qū)都讀取出來放入內存中，減少后續(xù)查詢對磁盤的訪問次數，進一步提升效率，如圖所示

通過對問題的分析，我們了解到 InnoDB 中用來組織頁的數據結構–區(qū)，并且每個區(qū)固定大小為1MB ，可以包含64個連續(xù)的頁，查詢的數據超過一頁大小時，可能會有以下幾種情況:

• 頁在區(qū)內是相鄰的: 磁盤順序I/0，可以大幅提升效率
• 頁在區(qū)內但不是相鄰的: 可以大幅減少碰頭移動，可以提升效率
• 頁在不同的區(qū): 還是要發(fā)生隨機I/0，不能提升效率

那么又有一個問題來了，新創(chuàng)建表時沒有數據，或者說有的表只有很少的數據，1MB的空間用不完，那不是就存在空間浪費的問題嗎?

• 是的，的確是這樣，InnoDB在設計時也考慮到了這個問題，我們繼續(xù)提出問題，然后再來解決。

5.4 當表中的數據很少時如何避免空間浪費?

通過 零散頁 和 碎片區(qū) 避免空間浪費的問題

• 當創(chuàng)建表時，并不知道當前表的數據量級
• 為了節(jié)省空間，最初只創(chuàng)建7個初始頁(在MySQL5.7中創(chuàng)建6個初始頁)，而不是一個完整的區(qū)，可以通過以下SOL查看:

mysql> select * FROM information_schema.INNODB_TABLESPACES WHERE name = 'test_db/student'\G
*************************** 1. row ***************************
          SPACE: 9
           NAME: test_db/student
           FLAG: 16417
     ROW_FORMAT: Dynamic
      PAGE_SIZE: 16384					# 頁大小
  ZIP_PAGE_SIZE: 0
     SPACE_TYPE: Single
  FS_BLOCK_SIZE: 4096
      FILE_SIZE: 114688					# 數據文件初始大小
 ALLOCATED_SIZE: 114688
AUTOEXTEND_SIZE: 0
 SERVER_VERSION: 8.0.42
  SPACE_VERSION: 1
     ENCRYPTION: N
          STATE: normal
1 row in set (0.00 sec)
# 根據數據文件大小和每頁大小計算出頁數
# 114688 / 16348 = 7 個數據頁

這些零散頁會放在表空間中一個叫碎片區(qū)的區(qū)域，隨著數據量的增加，會申請新的頁來存儲數據，當碎片區(qū)達到 32個頁 的時候，后續(xù)每次都會申請 一個完整的區(qū) 來存儲更多的數據

???‍??六、如果訪問的數據跨區(qū)了怎么辦? - 區(qū)組

MySQL使用 Extent(區(qū)) 這個結構來管理頁，規(guī)定每個區(qū)固定大小為 1MB ，可以存放 64 個頁

不同的區(qū)在磁盤上大概率是不連續(xù)的，那么這個問題其實是InnoDB如何高效的的管理區(qū)?

• 當表中的數據越來越多，為了有效的管理區(qū)，定義了 區(qū)組 的結構，每個區(qū)組固定管理 256個區(qū) 即 256MB，通過區(qū)組可以在物理結構層面非常高效的管理和定位到每個區(qū)

第一個區(qū)組中的首個區(qū)的前四頁比特殊，也就是初始頁中的前4頁，分別是

• File Space Header: 表空間和區(qū)組中條目信息。
• Insert Buffer Bitmap: Change Buffer相關信息。
• File Segmentinode: 段信息。
• B-tree Node: 索引根信息。
• 其他為空閑頁用來存儲真實的數據

其他區(qū)組中首個區(qū)的結構都一樣，前兩個頁分別是:

• Extent Descriptor(XDES): 區(qū)組條目信息
• Insert Buffer Bitmap: Change Buffer相關信息

使用 區(qū)組 結構有效的管理區(qū)，每個區(qū)組固定管理256個區(qū)即256MB，區(qū)組條目信息 中會記錄每個區(qū)的偏移并用雙向鏈表連接。

???‍??七、以上這些數據結構還有優(yōu)化的空間嗎? - 段

當然是有的，InnoDB使用"段"這個邏輯結構區(qū)分不同功能的區(qū)和在碎片區(qū)中的頁，并按功能分為"葉子節(jié)點段"和"非葉子節(jié)點段"，做為B+樹索引中的葉子、非葉子節(jié)點，從而進一步提升查詢效怒。

以上講到的區(qū)、區(qū)組還有頁這種都是物理結構

在物理結構的基礎上，定義了一個邏輯上的概念，也就是"段";

"段"并不對應表空間中的連續(xù)的物理區(qū)域，可以看做是"區(qū)"和"頁"的一個附加標注信息，段的主要作用是區(qū)分不同功能的區(qū)和在碎片區(qū)中的頁，主要分為"葉子節(jié)點段"和"非葉子節(jié)點段"等，這兩個段和我們常說的B+樹索引中的葉子、非葉子節(jié)點對應，

可以簡單的理解為

• “非葉子節(jié)點段” 存儲和管理索引樹
• “葉子節(jié)點段” 存儲和管理實際數據

從邏輯上講，最終由"葉子節(jié)點段"和"非葉子節(jié)點段"等段構成了表空間 .ibd 文件，如下圖所示:

???‍??八、延伸問題

8.1 上面講的所有操作是在哪里進行的?

• 所有的數據庫操作都是在內存中進行的，最終會把修改結果刷回磁盤中對應的頁中。

8.2 查詢數據時 MySQL 會一次把表空間中的數據全部加載到內存嗎?

• 當然不是，使用 InnoDB 存儲引擎創(chuàng)建表，在查詢數據時會根據表空間內部定義的數據結構(一般為索引)，定位到目標數據行所在的頁，只把符合查詢要求的頁加載到內存。

8.3 每查詢一條數據都要進行一次磁盤I/0嗎?

• 不一定，每次查詢都會把磁盤中數據行對應的數據頁加載到內存中，如果當前查詢的數據行已經在內存中，則直接從內存中返回結果，從而提高查詢效率。

??總結

本篇博文對 【MySQL】表空間結構 - 從何為表空間到段頁詳解 做了一個較為詳細的介紹，不知道對你有沒有幫助呢

到此這篇關于MySQL表空間結構詳解表空間到段頁操作的文章就介紹到這了,更多相關mysql表空間結構內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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