安排为了让你彻底弄懂MySQL页的原理

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今日分享开始啦,请大家多多指教~

页是什么

首先,我们需要知道,页(Pages)是InnoDB中管理数据的最小单元。BufferPool中存的就是一页一页的数据。再比如,当我们要查询的数据不在BufferPool中时,InnoDB会将记录所在的页整个加载到BufferPool中去;同样的,将BufferPool中的脏页刷入磁盘时,也是按照页为单位刷入磁盘的。

页的概览

我们往MySQL插入的数据最终都是存在页中的。在InnoDB中的设计中,页与页之间是通过一个双向链表连接起来。

而存储在页中的一行一行的数据则是通过单链表连接起来的。

上图中的UserRecords的区域就是用来存储行数据的。那InnoDB为什么要这么设计?假设我们没有页这个概念,那么当我们查询时,成千上万的数据要如何做到快速的查询出结果?众所周知,MySQL的性能是不错的,而如果没有页,我们剩下的只能是逐条逐条的遍历数据了。

那页是如何做到快速查询的呢?在当前页中,可以通过UserRecords中的连接每条记录的单链表来进行遍历,如果在当前页中没有找到,则可以通过下一页指针快速的跳到下一页进行查询。

Infimum和Supremum

有人可能会说了,你在UserRecords中还不是通过遍历来解决的,你就是简单地把数据分了个组而已。如果我的数据根本不在当前这个页中,那我难道还是得把之前的页中的每一条数据全部遍历完?这效率也太低了。

当然,MySQL也考虑到了这个问题,所以实际上在页中还存在一块区域叫做TheInfimumandSupremumRecords,代表了当前页中最大和最小的记录。

有了InfimumRecord和SupremumRecord,现在查询不需要将某一页的UserRecords全部遍历完,只需要将这两个记录和待查询的目标记录进行比较。比如我要查询的数据id=,那很明显不在当前页。接下来就可以通过下一页指针跳到下页进行检索。

使用PageDirectory

可能有人又会说了,你这UserRecords里不也全是单链表吗?即使我知道我要找的数据在当前页,那最坏的情况下,不还是得挨个挨个的遍历次才能找到我要找的数据?你管这也叫效率高?

不得不说,这的确是个问题,不过是一个MySQL已经考虑到的问题。不错,挨个遍历确实效率很低。为了解决这个问题,MySQL又在页中加入了另一个区域PageDirectory。

顾名思义,PageDirectory是个目录,里面有很多个槽位(Slots),每一个槽位都指向了一条UserRecords中的记录。大家可以看到,每隔几条数据,就会创建一个槽位。其实我图中给出的数据是非常严格按照其设定来的,在一个完整的页中,每隔6条数据就会有一个Slot。

PageDirectory的设计不知道有没有让你想起另一个数据结构——跳表,只不过这里只抽象了一层索引。

MySQL会在新增数据的时候就将对应的Slot创建好,有了PageDirectory,就可以对一张页的数据进行粗略的二分查找。至于为什么是粗略,毕竟PageDirectory中不是完整的数据,二分查找出来的结果只能是个大概的位置,找到了这个大概的位置之后,还需要回到UserRecords中继续地进行挨个遍历匹配。

不过这样的效率已经比我们刚开始聊的原始版本高了很多了。

页的真实面貌

如果我开篇就把页的各种组成部分,各种概念直接抛出来,首先我自己接受不了,这样显得很僵硬。其次,对页不熟悉的人应该是不太能理解页为什么要这么设计的。所以我按照查询一条数据的一套思路,把页的大致的面貌呈现给了大家。

实际上,页上还存储了很多其他的字段,也还有其他的区域,但是这些都不会影响到我们对页的理解。所以,在对页有了一个较为清晰的认知之后,我们就可以来看看真实的页到底长啥样了。

上图就是页的实际全部组成,除了我们之前提到过的,还多了一些之前没有聊过的,例如FileHeader、PageHeader、FreeSpace、FileTailer。我们一个一个来看。

FileHeader

上面提到的上一页指针和下一页指针其实就是属于FileHeader的,除此之外还有很多其他的数据。

其实我比较抗拒把一堆参数列出来,告诉你这个大小多少,那个用来干嘛。对于我们需要详细了解页来说,其实暂时只需要知道两个就足够了,分别是:

FIL_PAGE_PREVFIL_PAGE_NEXT这两个变量就是上文提到过的上一页指针和下一页指针,说是指针,是为了方便大家理解,实际上是页在磁盘上的偏移量。

PageHeader

比起FileHeader,PageHeader中的数据对我们来说就显得更加熟悉了,我这里画了一张图,把里面的内容详细地列了出来。

这里全列出来是因为了解这些参数的含义和为什么要设置参数,能够更好地帮助我们了解页的原理和构造,具体的看图说话就行。

这里也很想吐槽,比如参数PAGE_HEAP_TOP,这里的HEAP很多都直接叫堆。这就跟你给Init写注释叫初始化一样,还不如不写。实际上你去研究一下就会知道,这里的堆实际上就是指UserRecords。

里面有个两个参数可能会有点混淆,分别是PAGE_N_HEAP和PAGE_N_RECS,都是当前UserRecords中记录的数量,唯一的不同在于,PAGE_N_HEAP中是包含了被标记为删除的记录的,而PAGE_N_RECS这就是实际上我们能够查询到的所有数据。

InfimumSupremumRecords

InfimumSupremumRecords会记录当前页最大最小记录。实际上不准确,更准确地描述是最小记录和最大纪录的开区间。因为实际上InfimumRecords会比当前页中的最小值还要小,而SupremumRecords会比当前页中的最大值要大。

UserRecords

UserRecords可以说是我们平时接触的最多的部分了,毕竟我们的数据最终都在这。页被初始化之后,UserRecords中是没有数据的,随着系统运行,数据产生,UserRecords中的数据会不断地膨胀,相应的FreeSpace空间会慢慢地变小。

关于UserRecords中的概念,之前已经聊过了。这里只说我认为很关键的一点,那就是顺序。

我们知道,在聚簇索引中,Key实际上会按照PrimaryKey的顺序来进行排列。那在UserRecords中也会这样吗?我们插入一条新的数据到UserRecords中时,是否也会按照PrimaryKey的顺序来对已有的数据重排序?

答案是不会,因为这样会拉低MySQL处理的效率。

UserRecords中的数据是由单链表指针的指向来保证的,也就是说,行数据实际在磁盘上的表现,是按照插入顺序来排队的,先到的数据在前面,后来的数据在后面。只不过通过UserRecords中的行数据之间的单链表形成了一个按照PrimaryKey排列的顺序。

用图来表示,大概如下:

FreeSpace

这块其实变相的在其他的模块中讨论了,最初UserRecords是完全空的,当有新数据进来时,会来FreeSpace中申请空间,当FreeSpace没空间了,则说明需要申请新的页了,其他没什么特别之处。

FileTrailer

这块主要是为了防止页在刷入磁盘的过程中,由于极端的意外情况(网络问题、火灾、自然灾害)导致失败,而造成数据不一致的情况,也就是说形成了脏页。

里面只有一个组成部分:

总结

到此,我认为关于页的所有东西就聊得差不多了,了解了底层的页原理,我个人认为是有助于我们更加友好、理智地使用MySQL,使其能发挥出自己应该发挥的极致性能。

今日份分享已结束,请大家多多包涵和指点!




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