理解InnoDB是如何存储数据

理解InnoDB是如何存储数据 概述

   想深入了解mysql存储机制，但又不懂C++，更不想背八股文。有一天在github上看到大佬的innodb-java-reader，完美地满足我对InnoDB 的内部机制源码调式的渴望

演示

   在分析之前，首先看一下项目的运行效果

1. 查看mysql数据库存储位置

   show global variables like '%datadir%';
   

   
   1.1 idb文件一般存放在mysql/data/databasename下
   
2. 按照文档的步骤，创建表，执行存储过程建数据

   CREATE TABLE `t`
   (`id` int(11) NOT NULL,
   `a` bigint(20) NOT NULL,
   `b` varchar(64) NOT NULL,
   PRIMARY KEY (`id`)) ENGINE=InnoDB;
   
   delimiter ;;
   drop procedure if EXISTS idata;
   create procedure idata()
     begin
       declare i int;
       set i=1;
       while(i<=5)do
         insert into t values(i, i * 2, REPEAT(char(97+((i - 1) % 26)), 8));
         set i=i+1;
       end while;
     end;;
   delimiter ;
   call idata();
   

3. 执行一下代码，观察运行结果是否和直接在mysql客户端执行一致

   public static void main(String[] args) {
       String createTableSql = "CREATE TABLE `tb11`n"
           + "(`id` int(11) NOT NULL ,n"
           + "`a` bigint(20) NOT NULL,n"
           + "`b` varchar(64) NOT NULL,n"
           + "PRIMARY KEY (`id`),n"
           + "KEY `key_a` (`a`))n"
           + "ENGINE=InnoDB;";
       String ibdFilePath = "C:\ProgramData\MySQL\MySQL Server 5.7\Data\test\t.ibd";
       try (TableReader reader = new TableReaderImpl(ibdFilePath, createTableSql)) {
       	  reader.open();
   	      // ~~~ query all records
   	      List recordList = reader.queryAll();
   	      for (GenericRecord record : recordList) {
   	        Object[] values = record.getValues();
   	        System.out.println(Arrays.asList(values));
   	        assert record.getPrimaryKey() == record.get("id");
     		}
   	}
   }
   

   3.1 运行结果展示
   
   

探索InnoDB内部机制

演示结果无误后，对照源码以及Jeremy Cole的InnoDB介绍进行学习，源码调式的入口在IndexServiceImpl#traverseBPlusTree

1. 通过FileChannelStorageServiceImpl#loadPage加载指定页（FilHeader、FilTrailer），详情见下面的InnoDB页的物理结构
2. 通过Index构造函数加载索引页，详情见下面的InnoDB 索引页的物理结构

   Index index = new Index(page, tableDef);
   

3. 将指针指向第一条数据记录开始的位置,开始读取记录，直到最后一条记录（supremum）。详情见下面的读取用户记录

   GenericRecord infimum = index.getInfimum();
   int nextRecPos = infimum.nextRecordPosition();
   sliceInput.setPosition(nextRecPos);
   

InnoDB页的物理结构

1. 页的文件布局（如下图）
   1.1 每个空间被分成页面，通常每个页面 16 KiB
   1.2 每个页面都有一个 38 字节的FIL头和 8 字节的FIL 尾（FIL是“文件”的缩写形式）
   
2. FIL头部和尾部的结构布局
   2.1 FIL头部读取的代码对应于FilHeader#fromSlice
   2.2 在读取FIL尾部时，首先把position移到FIL尾部开始的位置，再开始读取：FilTrailer#fromSlice
   

InnoDB 索引页的物理结构

1. System records（系统记录）：InnoDB每个页面有两条系统记录，分别称为infimum和supremum
   1.1 infimum和supremum位于页面内固定位置（offset分别为99和102）
   1.2 infimum 记录表示一个低于页面中任何可能键的值，"next record"指针指向页面中键值最低的用户记录
   1.3 supremum 记录表示比页面中任何可能的键都高的键。它的“next record”指针总是0
   
   注意图中的单位，譬如Info Flags(4比特) + Number of Records Owned = 1字节；infimun占8个字节

2. 在innodb-java-reader中的实现在Index的构造函数中

   public Index(InnerPage innerPage, TableDef tableDef) {
   	// 包括上面的FIL Header/Trailer
   	super(innerPage);
   	// 36 bytes index header
   	this.indexHeader = IndexHeader.fromSlice(sliceInput);
   	// 20 bytes fseg header
   	this.fsegHeader = FsegHeader.fromSlice(sliceInput);
   	// infimum处理
   	RecordHeader infimumHeader = RecordHeader.fromSlice(sliceInput);
       this.infimum = new GenericRecord(infimumHeader, tableDef, innerPage.getPageNumber());
       this.infimum.setPrimaryKeyPosition(sliceInput.position());
       // supremum处理
       RecordHeader supremumHeader = RecordHeader.fromSlice(sliceInput);
   	this.supremum = new GenericRecord(supremumHeader, tableDef,innerPage.getPageNumber());
   	this.supremum.setPrimaryKeyPosition(sliceInput.position());
   }
   

3. 页面目录（page directory）
   3.1 页面目录从FIL尾部开始，并从那里向用户记录“向下”增长。页面目录包含一个指针，每4-8条记录，除了总是包含一个下至上的条目
   
   3.2 从indexHeader中获取Page directory中的slot个数

   int dirSlotNum = this.indexHeader.getNumOfDirSlots();
   

   3.3 从FIL尾部开始（页大小16K - 页尾大小8B - slot目录数 * 目录大小2B）

    sliceInput.setPosition(SIZE_OF_PAGE - SIZE_OF_FIL_TRAILER - dirSlotNum * SIZE_OF_PAGE_DIR_SLOT);
   

   3.4 从下往上读取目录

   for (int i = 0; i < dirSlotNum; i++) {
    dirSlots[dirSlotNum - i - 1] = sliceInput.readUnsignedShort();
    }
   

   3.5 页面目录读取完之后，将指针移到endOfSupremum位置，开始读取用户记录

读取用户记录

源码入口在IndexServiceImpl#readRecord，下图展示叶子节点的结构

非叶子节点指向的子页面上的最小键

1. 将指针移到用户记录开始的位置

   GenericRecord infimum = index.getInfimum();
   int nextRecPos = infimum.nextRecordPosition();
   sliceInput.setPosition(nextRecPos);
   

2. 从用户记录开始位置开始遍历，直到用户记录结尾的位置supremum
   2.1 如果为叶子节点，则加入记录集合，否则以深度优先的方式从根页面递归地遍历b+树

   while (nextRecPos != supremum.getPrimaryKeyPosition()) {
       GenericRecord record = readRecord(tableDef, index.getPageNumber(), sliceInput,
           index.isLeafPage(), projection);
       if (record.isLeafRecord()) {
         recordList.add(record);
       } else {
         traverseBPlusTree(tableDef, record.getChildPageNumber(), recordList, recordPredicate, projection);
       }
       nextRecPos = record.nextRecordPosition();
       recCounter++;
     }
   

行读取

1. 读取用户记录头（占5个字节）
   1.1 根据下面的图与源码对着看，清晰明了RecordHeader#fromSlice
   
2. 聚集索引
   2.1 Cluster Key Fileds:代表聚集索引的值
   2.2 Roll Pointer：包含最近修改该记录的事务的undo记录在回滚段的位置
   （1）Roll Pointer字段有：1bit的"is_insert"的标记 ；7bit的的回滚段ID；2bit的undo log偏移量
   
   2.3 读取非聚集索引的值（IndexServiceImpl#putColumnValueToRecord）
   2.4 所有的列都读取完毕后，将指针指向下一条记录的位置
   （1）下一条记录位置 = 主键索引位置 + 头中下一条记录的偏移量

   bodyInput.setPosition(record.nextRecordPosition());
   // 下一条记录位置
   public int nextRecordPosition() {
   	return primaryKeyPosition + header.getNextRecOffset();
   }
   

束语

   第一次接触调式只是对整个流程一次梳理，里面一些细节还未分析。后续会逐步去学习，如果有误的地方，欢迎大家指正讨论