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J. Cole 的 InnoDB 系列 - 3. InnoDB空间文件布局的基础

原文地址:blog.jcole.us/2013/01/03/…

在数据存储模型中,通常有“空间”这个概念,在 MySQL 中被称为“表空间”,有时候在 InnoDB 中也被称为“文件空间”。一个空间可能由一个操作系统中的多个实际文件组成(例如 ibdata1, ibdata2 等等),实际上只是一个逻辑文件 - 多个文理文件被当做一个连接在一起的文件处理。

InnoDB 中每个空间都被分配了一个 32 位的无符号整型空间 ID,这个 ID 被用来在不同的地方引用指向这个空间。InnoDB 总是有一个“系统空间”,他的空间 ID 是 0。系统空间用于保存 InnoDB 的一系列元数据的记录。通过 MySQL,InnoDB 目前只支持“一个表一个文件”空间形式的额外空间,这将为每一个 MySQL 表创建 .ibd 文件。从内部来看,这个 .ibd 文件实际是一个可以容纳多个表的完整的空间,但是在 MySQL 的实现中,它只能包含一个表。

每个空间被切分成了,一般每 16 KiB(也可以通过在编译时指定 UNIV_PAGE_SIZE 修改,或者开启了 InnoDB 压缩)。空间中的会被分配一个 32 位的页码,这个页码被称为偏移,其实这个页码就是从空间地址开头的页偏移。所以,第 0 页位于文件偏移 0 的位置,第 1 页位于文件偏移 16384 的位置,以此类推。可能这里有些人会想起来,InnoDB 的数据大小限制是 64 TiB,这个其实是每个空间的大小限制。因为页码是一个 32 位的无符号整型,并且默认的页大小是 16 KiB,这样空间最大大小是 2^32 * 16 KiB = 64 TiB

的结构如下:

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每一页都有一个 38 字节的 FIL 头部和一个 FIL 尾部(FIL这个名字其实就是出自 “file”的简写)。头部包含一个表示页类型的字段,这个类型决定了页的剩下部分的结构。 FIL 头部和 FIL 尾部结构如下所示:

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FIL 头部以及尾部包含以下结构:

  • 页类型(2 bytes):这对于解析剩下的页数据是很重要的。很多模块以及场景下需要分配页存储,包括文件空间管理范围管理事务系统数据字段undo logblobs 数据 还有索引以及表数据
  • 空间 ID(4 bytes)
  • 页码(4 bytes):当被初始化的时候页码就被存入了。检查该字段保存的页码与根据文件偏移量读取到的页码是否匹配,有助于表明读取是否是正确的。并且,如果这个字段被初始化了,表明这个也被初始化了
  • checksum(4 bytes)和老版 checksum(4 bytes)
  • 上一页(4 bytes)与下一页(4 bytes)的指针:这样可以构建双向链表,并用于索引页来讲所有页在同一级别链接起来,从而提高索引全扫描的效率。但是有很多页面类型不使用这些字段。
  • 头部保存最近修改对应的 LSN(日志序列号,8 bytes),同时这个序列号的低 32 位也保存在尾部
  • 全局最大的日志序列号(被称为 flush LSN,8 bytes),真正的序列号只保存在第 0 个空间的第 0 页,其他页这个字段的值都是 0,相当于都复用第 0 个空间的第 0 页的这个字段。这样全局发生修改的时候只用修改一个字段就行了。

空间文件

一个空间文件是很多(最多 2^32)的聚合链接,为了更高效的管理,被聚合成很多个 1 MiB 大小的块(64 个连续页,默认页大小是 16 KiB),这个块被称为“区”(extent)。很多结构只通过引用来在一个空间中分配

InnoDB 需要做一些元数据记录,来追踪所有以及空间本身。

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空间中的第一页是 FSP_HDR(文件空间头页)。FSP_HDR 页包含一个 FSP 结构,记录像是空间的大小空闲区碎片区满区的列表等数据(将来我会写一篇详细的关于空闲空间管理介绍的文章)。 一页 FSP_HDR 只有够保存 256 个(相当于 16384 ,256 MiB)信息的空间,所以每 16384 页之后,都需要额外记录这些页信息的空间。XDES 页和 FSP_HDR 页的结构是相同的,只是在 XDESFSP 占用的存储都是被 0 填充的。这些额外的会随着空间文件的增长而自动分配。

INODE 页用来保存文件(Segmentation,包含一组以及一个只会单独分配的碎片区的数组)的列表。每个 INDOE 页可以保存 85 个 INODE 元素,每个索引需要两个 INODE 元素(将来我会写一篇详细的关于 INDOE 元素内容和文件的文章)。

IBUF_BITMAP 页保存关于插入缓存的信息,不在本系列的讨论范围内。

系统空间

系统空间(第 0 个空间)比较特殊,包含许多按固定页码分配的页面,以存储对 InnoDB 操作至关重要的大量信息。系统空间与任何其他空间一样,也需要 FSP_HDR, IBUF_BITMAPInode 这三个页面作为头三页。这之后,与其他页面有点区别。

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  • 第 3 页,SYS 类型:与插入缓存相关的头信息。
  • 第 4 页,INDEX 类型:用于插入缓冲的索引结构的根页。
  • 第 5 页,TRX_SYS 类型:与 InnoDB 事务系统的操作相关的信息,例如最新的事务ID、MySQL二进制日志信息和双写缓冲区范围的位置。
  • 第 6 页,SYS 类型:第一个回滚段页。根据需要分配其他页(或整个区段)来存储回滚段数据。
  • 第 7 页,SYS 类型:与数据字典相关的头信息,包含组成数据字典的索引的根页码。这些信息能够找到任何其他索引(表),由于它们的根页码就存储在这个数据字典中。
  • 第 64 - 127 页:双写缓冲区中第一块(包含 64 页),双写缓冲区是 InnoDB 恢复机制的一个重要部分
  • 第 128 - 191 页:双写缓冲区中第二块

其他页按需分配给索引、回滚段、撤消日志(undo logs)等.

每个表空间文件

InnoDB提供了“每个表一个文件”模式,该模式将为每个 MySQL 表创建一个文件(如上所述实际上是一个空间)。可能叫做“每个表一个空间”更合适一些。每个表都会创建 .ibd 文件,它的结构如下:

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忽略快速添加索引(即在运行时添加索引),在必需的3个初始页之后,空间中分配的下一个页面将是表中每个索引的根页,按表创建中定义的索引顺序排列。第 3 页将是聚集索引的根第 4 页将是第一个二级索引的根,以此类推。

由于 InnoDB 的大部分元数据结构都存储在系统空间中,因此在“每个表一个空间”中分配的大多数页都是 INDEX 类型的并存储表数据。

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