InnoDB的表空間

表空間可以看做是InnoDB存儲(chǔ)引擎邏輯結(jié)構(gòu)的最高層 ，所有的數(shù)據(jù)都是存放在表空間中。

1. Extent

對于16KB的頁來說，連續(xù)的64個(gè)頁就是一個(gè)區(qū)，也就是說一個(gè)區(qū)默認(rèn)占用1MB空間大小。

每256個(gè)區(qū)被劃分成一組,第一組的前3個(gè)頁面是固定的（FSP_HDR，IBUF_BITMAP，INODE），每組的前兩個(gè)頁面是固定的（XDES，IBUF_BITMAP）

1.1 為什么需要引入?yún)^(qū)的概念？

因?yàn)锽+樹的每一層的節(jié)點(diǎn)，都是用一個(gè)雙向鏈表連起來的，如果以頁作為存儲(chǔ)單位的話，在B+樹上相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，可能在磁盤上相隔非常遠(yuǎn)，就會(huì)造成磁盤的隨機(jī)I/O，因此我們應(yīng)該使得相鄰位置的節(jié)點(diǎn)，物理位置也盡量相連，形成順序I/O。

所以，所以才引入了區(qū)（extent）的概念，一個(gè)區(qū)就是在物理位置上連續(xù)的64個(gè)頁。在表中數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，為某個(gè)索引分配空間的時(shí)候就不再按照頁為單位分配了，而是按照區(qū)為單位分配。

1.2 區(qū)的分類

• FREE 空閑的區(qū)
• FREE_FRAG 有剩余空間的碎片區(qū)
• FULL_FRAG 沒有剩余空間的碎片區(qū)
• FSEG 附屬于某個(gè)段的區(qū)
  注意：處于FREE、FREE_FRAG以及FULL_FRAG這三種狀態(tài)的區(qū)都是獨(dú)立的，算是直屬于表空間；而處于FSEG狀態(tài)的區(qū)是附屬于某個(gè)段的。

1.3 XDES Entry

每一個(gè)區(qū)都對應(yīng)著一個(gè)XDES Entry結(jié)構(gòu).XDES Entry的組成如下圖

• Segment ID（8字節(jié)）
  該區(qū)所屬的段的ID
• List Node（12字節(jié)）
  將XDES Entry連成一個(gè)鏈表，存儲(chǔ)的是指向上一個(gè)XDES和下一個(gè)XDES的指針
• State（4字節(jié)）
  前面說到的幾種區(qū)的分類，FREE、FREE_FRAG、FULL_FRAG和FSEG
• Page State Bitmap（16字節(jié)）
  這個(gè)部分共占用16個(gè)字節(jié)，也就是128個(gè)比特位。我們說一個(gè)區(qū)默認(rèn)有64個(gè)頁，這128個(gè)比特位被劃分為64個(gè)部分，每個(gè)部分2個(gè)比特位，對應(yīng)區(qū)中的一個(gè)頁。這兩個(gè)比特位的第一個(gè)位表示對應(yīng)的頁是否是空閑的，第二個(gè)比特位還沒有用。

1.3.1 XDES Entry鏈表

當(dāng)向某個(gè)段中插入數(shù)據(jù)時(shí)

在剛開始向表中插入數(shù)據(jù)的時(shí)候，段是從某個(gè)碎片區(qū)以單個(gè)頁面為單位來分配存儲(chǔ)空間的。
因此，查找FREE_FRAG 有剩余空間的碎片區(qū)，申請一些零散的頁面將數(shù)據(jù)插入，直到為FULL_FRAG。否則找FREE空閑的區(qū)，插入數(shù)據(jù)。而為了查找特定狀態(tài)的區(qū)：

• 把狀態(tài)為FREE的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node來連接成一個(gè)鏈表，這個(gè)鏈表我們就稱之為FREE鏈表。

• 把狀態(tài)為FREE_FRAG的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node來連接成一個(gè)鏈表，這個(gè)鏈表我們就稱之為FREE_FRAG鏈表。

• 把狀態(tài)為FULL_FRAG的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)通過List Node來連接成一個(gè)鏈表，這個(gè)鏈表我們就稱之為FULL_FRAG鏈表。

當(dāng)某個(gè)段已經(jīng)占用了32個(gè)碎片區(qū)頁面之后，就會(huì)以完整的區(qū)為單位來分配存儲(chǔ)空間

因?yàn)橐粋€(gè)段中可以有好多個(gè)區(qū)，有的區(qū)是完全空閑的，有的區(qū)還有一些頁面可以用，有的區(qū)已經(jīng)沒有空閑頁面可以用了，為了找出段中特定狀態(tài)的區(qū)：

• FREE鏈表：同一個(gè)段中，所有頁面都是空閑的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)會(huì)被加入到這個(gè)鏈表。注意和直屬于表空間的FREE鏈表區(qū)別開了，此處的FREE鏈表是附屬于某個(gè)段的。

• NOT_FULL鏈表：同一個(gè)段中，仍有空閑空間的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)會(huì)被加入到這個(gè)鏈表。

• FULL鏈表：同一個(gè)段中，已經(jīng)沒有空閑空間的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)會(huì)被加入到這個(gè)鏈表。

1.3.2 鏈表基節(jié)點(diǎn)

上面說到的6種鏈表，都對應(yīng)著一個(gè)LIst Base Node，因此只要記錄下鏈表基節(jié)點(diǎn)，就可以搜索整個(gè)鏈表

• List Length表明該鏈表一共有多少節(jié)點(diǎn)，

• First Node Page Number和First Node Offset表明該鏈表的頭節(jié)點(diǎn)在表空間中的位置。

• Last Node Page Number和Last Node Offset表明該鏈表的尾節(jié)點(diǎn)在表空間中的位置。

2.segment

段由若干個(gè)零散的頁面以及一些完整的區(qū)組成。

2.1 為什么需要引入段的概念？

在進(jìn)行范圍查詢的時(shí)候，其實(shí)我們是對B+樹的葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掃描，如果將B+樹的葉子節(jié)點(diǎn)和非葉子節(jié)點(diǎn)都放在一個(gè)地方的話，就會(huì)影響范圍查詢的速度。

因此，InnoDB將葉子節(jié)點(diǎn)的區(qū)的集合分為一個(gè)段，非葉子區(qū)的集合同樣也分為一個(gè)段。也就是說一個(gè)索引會(huì)生成2個(gè)段，一個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)段，一個(gè)非葉子節(jié)點(diǎn)段。

但是這也帶來了一個(gè)問題，就是無論如何一個(gè)索引都要至少要占用兩個(gè)區(qū)，就是2M的空間，即使數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于2M，就會(huì)造成浪費(fèi)，因此引入了碎片區(qū)的概念。

2.3 碎片區(qū)

在一個(gè)碎片區(qū)中，并不是所有的頁都是為了存儲(chǔ)同一個(gè)段的數(shù)據(jù)而存在的，而是碎片區(qū)中的頁可以用于不同的目的，比如有些頁用于段A，有些頁用于段B，有些頁甚至哪個(gè)段都不屬于。碎片區(qū)直屬于表空間，并不屬于任何一個(gè)段。所以此后為某個(gè)段分配存儲(chǔ)空間的策略是這樣的：

在剛開始向表中插入數(shù)據(jù)的時(shí)候，段是從某個(gè)碎片區(qū)以單個(gè)頁面為單位來分配存儲(chǔ)空間的。

當(dāng)某個(gè)段已經(jīng)占用了32個(gè)碎片區(qū)頁面之后，就會(huì)以完整的區(qū)為單位來分配存儲(chǔ)空間。

2.4 INODE Entry

與區(qū)的XDES Entry類似，段也存在INODE Entry，組成如下

• Segment ID

就是指這個(gè)INODE Entry結(jié)構(gòu)對應(yīng)的段的編號(hào)（ID）。

• NOT_FULL_N_USED

這個(gè)字段指的是在NOT_FULL鏈表中已經(jīng)使用了多少個(gè)頁面。

• 3個(gè)List Base Node

分別為段的FREE鏈表、NOT_FULL鏈表、FULL鏈表定義的List Base Node，這樣我們想查找某個(gè)段的某個(gè)鏈表的頭節(jié)點(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，就可以直接到這個(gè)部分找到對應(yīng)鏈表的List Base Node。

• Magic Number：

這個(gè)值是用來標(biāo)記這個(gè)INODE Entry是否已經(jīng)被初始化了（初始化的意思就是把各個(gè)字段的值都填進(jìn)去了）。如果這個(gè)數(shù)字是值的97937874，表明該INODE Entry已經(jīng)初始化，否則沒有被初始化。。

• Fragment Array Entry

我們前邊強(qiáng)調(diào)過無數(shù)次段是一些零散頁面和一些完整的區(qū)的集合，每個(gè)Fragment Array Entry結(jié)構(gòu)都對應(yīng)著一個(gè)零散的頁面，這個(gè)結(jié)構(gòu)一共4個(gè)字節(jié)，表示一個(gè)零散頁面的頁號(hào)

3.FSP_HDR（第一組前3個(gè)頁面之一）

這個(gè)頁面的類型是FSP_HDR，它存儲(chǔ)了表空間的一些整體屬性以及第一個(gè)組內(nèi)256個(gè)區(qū)的對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)

由圖可得，這個(gè)頁面由五部分組成

3.1 File Header

記錄頁的一些通用信息

3.2 File Space Header

表空間的一些整體屬性信息

• Space ID 4字節(jié) 表空間的ID
• Not Used 4字節(jié) 這4個(gè)字節(jié)未被使用，可以忽略
• Size 4字節(jié) 當(dāng)前表空間占有的頁面數(shù)
• FREE Limit 4字節(jié) 尚未被初始化的最小頁號(hào)，大于或等于這個(gè)頁號(hào)的區(qū)對應(yīng)的XDES Entry結(jié)構(gòu)都沒有被加入FREE鏈表
• Space Flags 4字節(jié) 表空間的一些占用存儲(chǔ)空間比較小的屬性
• FRAG_N_USED 4字節(jié) FREE_FRAG鏈表中已使用的頁面數(shù)量
• List Base Node for FREE List 16字節(jié) FREE鏈表的基節(jié)點(diǎn)
• List Base Node for FREE_FRAG List 16字節(jié) FREE_FRAG鏈表的基節(jié)點(diǎn)
• List Base Node for FULL_FRAG List 16字節(jié) FULL_FRAG鏈表的基節(jié)點(diǎn)
• Next Unused Segment ID 8字節(jié) 當(dāng)前表空間中下一個(gè)未使用的 Segment ID
• List Base Node for SEG_INODES_FULL List 16字節(jié) SEG_INODES_FULL鏈表的基節(jié)點(diǎn)
• List Base Node for SEG_INODES_FREE List 16字節(jié) SEG_INODES_FREE鏈表的基節(jié)點(diǎn)

3.3 XDES Entry

在這部分保存的就是一整個(gè)組（256個(gè)區(qū)）的XDES Entry，

3.4 Empty Space

用于頁結(jié)構(gòu)的填充，沒啥實(shí)際意義

3.5 File Trailer

校驗(yàn)頁是否完整

4.INODE（第一組前3個(gè)頁面之一）

這個(gè)INODE類型的頁就是為了存儲(chǔ)INODE Entry結(jié)構(gòu)而存在的

結(jié)構(gòu)上與XDES大體相同，但是引入了List Node for INODE Page List

4.1 List Node for INODE Page List

每個(gè)INODE Entry結(jié)構(gòu)占用192字節(jié)，一個(gè)頁面里可以存儲(chǔ)85個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)。但是一個(gè)表空間中可能存在超過85個(gè)段，所以可能一個(gè)INODE類型的頁面不足以存儲(chǔ)所有的段對應(yīng)的INODE Entry結(jié)構(gòu)，所以就需要額外的INODE類型的頁面來存儲(chǔ)這些結(jié)構(gòu)。于是引入了List Node for INODE Page List：

• SEG_INODES_FULL鏈表：該鏈表中的INODE類型的頁面中已經(jīng)沒有空閑空間來存儲(chǔ)額外的INODE Entry結(jié)構(gòu)了。

• SEG_INODES_FREE鏈表：該鏈表中的INODE類型的頁面中還有空閑空間來存儲(chǔ)額外的INODE Entry結(jié)構(gòu)了。

因此插入INODE Entry時(shí)

先看看SEG_INODES_FREE鏈表是否為空，如果不為空，直接從該鏈表中獲取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就相當(dāng)于獲取到一個(gè)仍有空閑空間的INODE類型的頁面，然后把該INODE Entry結(jié)構(gòu)放到該頁面中。當(dāng)該頁面中無剩余空間時(shí)，就把該頁放到SEG_INODES_FULL鏈表中。

如果SEG_INODES_FREE鏈表為空，則需要從表空間的FREE_FRAG鏈表中申請一個(gè)頁面，修改該頁面的類型為INODE，把該頁面放到SEG_INODES_FREE鏈表中，與此同時(shí)把該INODE Entry結(jié)構(gòu)放入該頁面。

5. XDES類型（每組前2個(gè)頁面之一）

與FSP_HDR類型的頁面對比，除了少了File Space Header部分之外，也就是除了少了記錄表空間整體屬性的部分之外，其余的部分是一樣一樣的。

6. Segment Header

Page Header部分存在

• PAGE_BTR_SEG_LEAF 10字節(jié) B+樹葉子段的頭部信息，僅在B+樹的根頁定義
• PAGE_BTR_SEG_TOP 10字節(jié) B+樹非葉子段的頭部信息，僅在B+樹的根頁定義
  二者的10字節(jié)其實(shí)對應(yīng)Segment Header結(jié)構(gòu)

PAGE_BTR_SEG_LEAF記錄著葉子節(jié)點(diǎn)段對應(yīng)的INODE Entry結(jié)構(gòu)的地址是哪個(gè)表空間的哪個(gè)頁面的哪個(gè)偏移量，PAGE_BTR_SEG_TOP記錄著非葉子節(jié)點(diǎn)段對應(yīng)的INODE Entry結(jié)構(gòu)的地址是哪個(gè)表空間的哪個(gè)頁面的哪個(gè)偏移量。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入理解InnoDB（6）—独立表空间的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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