InnoDB存储引擎——页和记录(行)

一、InnoDB页

　　InnoDB是一个将表中的数据存储到磁盘上的存储引擎，所以即使关机后重启我们的数据还是存在的。而真正处理数据的过程是发生在内存中的，所以需要把磁盘中的数据加载到内存中，如果是处理写入或修改请求的话，还需要把内存中的内容刷新到磁盘上。而我们知道读写磁盘的速度非常慢，和内存读写差了几个数量级，所以当我们想从表中获取某些记录时，InnoDB存储引擎需要一条一条的把记录从磁盘上读出来么？不，那样会慢死，InnoDB采取的方式是：将数据划分为若干个页，以页作为磁盘和内存之间交互的基本单位，InnoDB中页的大小一般为 16KB。也就是在一般情况下，一次最少从磁盘中读取16KB的内容到内存中，一次最少把内存中的16KB内容刷新到磁盘中。

　　页的本质就是一块16KB大小的存储空间，InnoDB为了不同的目的而把页分为不同的类型，其中用于存放记录的页也称为数据页，我们先看看这个用于存放记录的页长什么样。数据页代表的这块16KB大小的存储空间可以被划分为多个部分，不同部分有不同的功能，各个部分如图所示：

　　从图中可以看出，一个InnoDB数据页的存储空间被划分成了7个部分，每个部分又可以被划分为若干小部分。下边我们用表格的方式来大致描述一下这7个部分：

　　具体详细：https://mp.weixin.qq.com/s/GYRuFhty5gDLAmDXw7AluA

二、记录的格式

　　我们平时是以记录为单位来向表中插入数据的，这些记录在磁盘上的存放方式也被称为行格式或者记录格式。设计InnoDB存储引擎的大叔们到现在为止设计了4种不同类型的行格式，分别是Compact、Redundant、Dynamic和Compressed行格式，随着时间的推移，他们肯定会设计出更多的行格式，但是不管怎么变，在原理上大体都是相同的。

　　（1）设定行格式的语法

　　行格式是在我们创建或修改表的语句中指定的：（注意区分列和行的地位，创建的是列，设定的格式是行的。行中存储各个列的值）

CREATE TABLE 表名 (列的信息) ROW_FORMAT=行格式名称
ALTER TABLE 表名 ROW_FORMAT=行格式名称

　　比如我们在xiaohaizi数据库里创建一个演示用的表record_format_demo，可以这样指定它的行格式：

mysql> USE xiaohaizi;
Database changed
mysql> CREATE TABLE record_format_demo (
    ->     c1 VARCHAR(10),
    ->     c2 VARCHAR(10) NOT NULL,
    ->     c3 CHAR(10),
    ->     c4 VARCHAR(10)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=COMPACT;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)
mysql>

　　可以看到我们刚刚创建的这个表的行格式就是Compact，另外，我们还指定了这个表的字符集为ascii，因为ascii字符集只包括空格、标点符号、数字、大小写字母和一些不可见字符，所以我们的汉字是不能存到这个表里的。我们现在向这个表中插入两条记录：

mysql> INSERT INTO record_format_demo(c1, c2, c3, c4) VALUES('aaaa', 'bbb', 'cc', 'd'), ('eeee', 'fff', NULL, NULL);
Query OK, 2 rows affected (0.02 sec)
Records: 2  Duplicates: 0  Warnings: 0
mysql>

　表中的记录就是这个样子的：

mysql> SELECT * FROM record_format_demo;
+------+-----+------+------+
| c1   | c2  | c3   | c4   |
+------+-----+------+------+
| aaaa | bbb | cc   | d    |
| eeee | fff | NULL | NULL |
+------+-----+------+------+
2 rows in set (0.00 sec)
mysql>

　　演示表的内容也填充好了，现在我们就来看看各个行格式下的存储方式到底有啥不同吧～

　(2)COMPACT行格式

　　废话不多说，直接看图：

　　大家从图中可以看出来，一条完整的记录其实可以被分为记录的额外信息和记录的真实数据两大部分，下边我们详细看一下这两部分的组成。

第一部分：记录的额外信息

　　这部分信息是服务器为了描述这条记录而不得不额外添加的一些信息，这些额外信息分为3类，分别是变长字段长度列表、NULL值列表和记录头信息，我们分别看一下。

　　！！！变长字段长度列表：

　　前边说过MySQL支持一些变长的数据类型，比如VARCHAR(M)、VARBINARY(M)、各种TEXT类型，各种BLOB类型，这些变长的数据类型占用的存储空间分为两部分：

真正的数据内容
占用的字节数

　　因为如果不保存真实数据占用的字节数的话，MySQL服务器也不知道我们存储的数据究竟有多长。在Compact行格式中，把所有变长类型的列的长度都存放在记录的开头部位形成一个列表，按照列的顺序逆序存放，我们再次强调一遍，是逆序存放！我们拿record_format_demo表中的第一条记录来举个例子。因为record_format_demo表的c1、c2、c4列都是VARCHAR(10)类型的，也就是变长的数据类型，所以这三个列的值的长度都需要保存在记录开头处，因为record_format_demo表中的各个列都使用的是ascii字符集，所以每个字符只需要1个字节来进行编码，来看一下第一条记录各列内容的长度：

　　又因为这些长度值需要按照列的逆序存放，所以最后变长字段长度列表的字节串用十六进制表示的效果就是（各个字节之间实际上没有空格，用空格隔开只是方便理解）：

01 03 04

　　把这个字节串组成的变长字段长度列表填入上边的示意图中的效果就是：

　　由于第一行记录中c1、c2、c4列中的字符串都比较短，也就是说内容占用的字节数比较小，用1个字节就可以表示，但是如果变长列的内容占用的字节数比较多，可能就需要用2个字节来表示。具体用1个还是2个字节来表示真实数据占用的字节数，MySQL有它的一套规则，因为用汉字描述很长的概念很容易变得啰嗦从而让人迷惑，所以我们用公式来表示一下，首先声明一下W、M和L的意思：

假设某个字符集中表示一个字符最多需要使用的字节数为W，也就是使用SHOW CHARSET语句的结果中的Maxlen列，比方说utf8字符集中的W就是3，gbk字符集中的W就是2，ascii字符集中的W就是1。
对于变长类型VARCHAR(M)来说，这种类型表示能存储最多M个字符，所以这个类型能表示的字符串最多占用的字节数就是M×W，
假设它存储的字符串占用的字节数是L。

所以确定使用1个字节还是2个字节表示真正字符串占用的字节数的规则就是这样：

如果M×W < 256，那么使用1个字节来表示真正字符串占用的字节数。
如果M×W >= 256，则分为两种情况：

如果L < 128，则用1个字节来表示真正字符串占用的字节数
如果L >= 128，则用2个字节来表示真正字符串占用的字节数

　　也就是说确定使用1个字节还是2个字节来表示真实数据占用的字节数取决于`W`、`M`和`L`的值，上边的`c1`、`c2`、`c3`列的`W=1`，`M=10`，所以符合`M×W < 256`，所以使用1字节来表示真正字符串占用的字节数，其它的情况大家可以自己举例，我这就不赘述了。

　　需要注意的一点是，变长字段长度列表中只存储值为 非NULL 的列内容占用的长度，值为 NULL 的列的长度是不储存的。也就是说对于第二条记录来说，因为c4列的值为NULL，所以变长字段长度列表只需要存储c1和c2列的长度即可。其中c1列存储的值为'eeee'，占用的字节数为4，c2列存储的值为'fff'，占用的字节数为3，所以变长字段长度列表需2个字节。填充完变长字段长度列表的两条记录的对比图如下：

　　！！！NULL值列表

　　我们知道表中的某些列可能存储NULL值，如果把这些NULL值都放到记录的真实数据中存储会很占地方，所以Compact行格式把这些值为NULL的列统一管理起来，存储到NULL值列表中，它的处理过程是这样的：

首先统计表中允许存储NULL的列有哪些。

我们前边说过，主键列、被NOT NULL修饰的列都是不可以存储NULL值的，所以在统计的时候不会把这些列算进去。比方说表record_format_demo的3个列c1、c3、c4都是允许存储NULL值的，而c2列是被NOT NULL修饰，不允许存储NULL值。
如果表中没有允许存储 NULL 的列，则 NULL值列表 也不存在了，否则将每个允许存储NULL的列对应一个二进制位，二进制位按照列的顺序逆序排列，二进制位表示的意义如下：

因为表record_format_demo有3个值允许为NULL的列，所以这3个列和二进制位的对应关系就是这样：

　　　　再一次强调，二进制位按照列的顺序逆序排列，所以第一个列c1和最后一个二进制位对应。二进制位的值为1时，代表该列的值为NULL；二进制位的值为0时，代表该列的值不为NULL。

　　3、MySQL规定NULL值列表必须用整数个字节的位表示，如果使用的二进制位个数不是整数个字节，则在字节的高位补0。表record_format_demo只有3个允许为NULL的列，对应3个二进制位，不足一个字节，所以在字节的高位补0，效果就是这样：

　　知道了规则之后，我们再返回头看表record_format_demo中的两条记录中的NULL值列表应该怎么储存。因为只有c1、c3、c4这3个列允许存储NULL值，所以所有记录的NULL值列表只需要一个字节。

　　对于第一条记录来说，c1、c3、c4这3个列的值都不为NULL，所以它们对应的二进制位都是0，画个图就是这样：

　　所以第一条记录的NULL值列表用十六进制表示就是：0x00。

　　对于第二条记录来说，c1、c3、c4这3个列中c3和c4的值都为NULL，所以这3个列对应的二进制位的情况就是：

　　所以第一条记录的NULL值列表用十六进制表示就是：0x06

　　所以第一条记录的NULL值列表用十六进制表示就是：0x06。

　　所以这两条记录在填充了NULL值列表后的示意图就是这样：

　　！！！记录头信息

　　除了变长字段长度列表、NULL值列表之外，还有一个用于描述记录的记录头信息，它是由固定的5个字节组成。5个字节也就是40个二进制位，不同的位代表不同的意思，如图：

　　这些二进制位代表的详细信息如下表：

　大家不要被这么多的属性和陌生的概念给吓着，我这里只是为了内容的完整性把这些位代表的意思都写了出来，现在没必要把它们的意思都记住，记住也没啥用，现在只需要看一遍混个脸熟，等之后用到这些属性的时候我们再回过头来看。

　因为我们并不清楚这些属性详细的用法，所以这里就不分析各个属性值是怎么产生的了，之后我们遇到会详细看的。所以我们现在直接看一下record_format_demo中的两条记录的头信息分别是什么：　

　　再一次强调，大家如果看不懂记录头信息里各个位代表的概念千万别纠结，我们后边会说的～

第二部分：记录的真实数据

　　记录的真实数据除了我们插入的那些列的数据，MySQL会为每个记录默认的添加一些列（也称为隐藏列），具体的列如下：

　　需要注意的是，MySQL服务器会为每条记录都添加 transaction_id 和 roll_pointer 这两个列，但是 row_id 只有在表没有定义主键的时候才会为记录添加，相当于MySQL服务器帮我们来添加一个主键。这些列的值不用我们操心，MySQL服务器会自己帮我们添加的。

　　因为表record_format_demo并没有定义主键，所以MySQL服务器会为每条记录增加上述的3个列。现在看一下加上记录的真实数据的两个记录长什么样吧：

　　看这个这个图的时候我们需要注意几点：

表record_format_demo使用的是ascii字符集，所以0x61616161就表示字符串'aaaa'，0x626262就表示字符串'bbb'，以此类推。
注意第1条记录中c3列的值，它是CHAR(10)类型的，它实际存储的字符串是：'cc'，ascii字符集中的字节表示是'0x6363'，虽然表示这个字符串只占用了2个字节，但整个c3列仍然占用了10个字节的空间，除真实数据以外的8个字节的统统都用空格字符填充，空格字符在ascii字符集的表示就是0x20。
注意第2条记录中c3和c4列的值都为NULL，它们被存储在了前边的NULL值列表处，在记录的真实数据处就不再冗余存储，从而节省存储空间。

五、行溢出数据

VARCHAR(M)最多能存储的数据

　　我们知道对于VARCHAR(M)类型的列最多可以占用65535个字节。其中的M代表该类型最多存储的字符数量，如果我们使用ascii字符集的话，一个字符就代表一个字节，我们看看VARCHAR(65535)是否可用：

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->     c VARCHAR(65535)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
ERROR 1118 (42000): Row size too large. The maximum row size for the used table type, not counting BLOBs, is 65535. This includes storage overhead, check the manual. You have to change some columns to TEXT or BLOBs
mysql>

　　从报错信息里可以看出，MySQL对一条记录占用的最大存储空间是有限制的，除了BLOB或者TEXT类型的列之外，其他所有的列（不包括隐藏列和记录头信息）占用的字节长度加起来不能超过65535个字节。所以MySQL服务器建议我们把存储类型改为TEXT或者BLOB的类型。这个65535个字节除了列本身的数据之外，还包括一些storage overhead，比如说我们为了存储一个VARCHAR(M)类型的列，需要占用3部分存储空间：

真实数据
真实数据占用字节的长度
NULL值标识，如果该列有NOT NULL属性则可以没有这部分存储空间

　　如果该VARCHAR类型的列没有NOT NULL属性，那最多只能存储65532个字节的数据，因为真实数据的长度需要占用2个字节，NULL值标识需要占用1个字节：

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->      c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

mysql>

　　如果VARCHAR类型的列有NOT NULL属性，那最多只能存储65533个字节的数据，因为真实数据的长度需要占用2个字节，不需要NULL值标识：

mysql> DROP TABLE varchar_size_demo;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->      c VARCHAR(65533) NOT NULL
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

mysql>

　　如果VARCHAR(M)类型的列使用的不是ascii字符集，那会怎么样呢？来看一下：

mysql> DROP TABLE varchar_size_demo;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->       c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=gbk ROW_FORMAT=Compact;
ERROR 1074 (42000): Column length too big for column 'c' (max = 32767); use BLOB or TEXT instead
mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->       c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=utf8 ROW_FORMAT=Compact;
ERROR 1074 (42000): Column length too big for column 'c' (max = 21845); use BLOB or TEXT instead
mysql>

　　从执行结果中可以看出，如果VARCHAR(M)类型的列使用的不是ascii字符集，那M的最大取值取决于该字符集表示一个字符最多需要的字节数。比方说gbk字符集表示一个字符最多需要2个字符，那在该字符集下，M的最大取值就是32767，也就是说最多能存储32767个字符；utf8字符集表示一个字符最多需要3个字符，那在该字符集下，M的最大取值就是21845，也就是说最多能存储21845个字符。

记录中的数据太多产生的溢出

　　我们以ascii字符集下的varchar_size_demo表为例，插入一条记录：

mysql> CREATE TABLE varchar_size_demo(
    ->       c VARCHAR(65532)
    -> ) CHARSET=ascii ROW_FORMAT=Compact;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> INSERT INTO varchar_size_demo(c) VALUES(REPEAT('a', 65532));
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

mysql>

　　其中的REPEAT('a', 65532)是一个函数调用，它表示生成一个把字符'a'重复65532次的字符串。前边说过，MySQL中磁盘和内存交互的基本单位是页，也就是说MySQL是以页为基本单位来管理存储空间的，我们的记录都会被分配到某个页中存储。而一个页的大小一般是16KB，也就是16384字节，而一个VARCHAR(M)类型的列就最多可以存储65532个字节，这样就可能造成一个页存放不了一条记录的尴尬情况。

　　在Compact和Reduntant行格式中，对于占用存储空间非常大的列，在记录的真实数据处只会存储该列的一部分数据，把剩余的数据分散存储在几个连续的页中，只在记录的真实数据处用20个字节存储指向这些页的地址，从而可以找到剩余数据所在的页，如图所示：

　　从图中可以看出来，对于Compact和Reduntant行格式来说，如果某一列中的数据非常多的话，在本记录的真实数据处只会存储该列的前786个字节的数据和一个指向其他页的地址，然后把剩下的数据存放到其他页中，这个过程也叫做行溢出。画一个简图就是这样：

　　不只是 VARCHAR(M) 类型的列，其他的 TEXT、BLOB 类型的列在存储数据非常多的时候也会发生行溢出。

`行溢出`临界点

　　那发生行溢出的临界点是什么呢？也就是说在列存储多少字节的数据时就会发生行溢出？

MySQL中规定一个页中至少存放两行记录，至于为什么这么规定我们之后再说，现在看一下这个规定造成的影响。以我们以上边的varchar_size_demo表为例，它只有一个列c，我们往这个表中插入两条记录，每条记录最少插入多少字节的数据才会行溢出的现象呢？这得分析一下页中的空间都是如何利用的。

每个页除了存放我们的记录以外，也需要存储一些额外的信息，乱七八糟的额外信息加起来需要136个字节的空间（现在只要知道这个数字就好了），其他的空间都可以被用来存储记录。
每个记录需要的额外信息是27字节。

这27个字节包括下边这些部分：

2个字节用于存储真实数据的长度
1个字节用于存储列是否是NULL值
5个字节大小的头信息
6个字节的row_id列
6个字节的transaction_id列
7个字节的roll_pointer列

假设一个列中存储的数据字节数为n，那么发生行溢出现象时需要满足这个式子：

136 + 2×(27 + n) > 16384

　求解这个式子得出的解是：n > 8098。也就是说如果一个列中存储的数据不大于8098个字节，那就不会发生行溢出，否则就会发生行溢出。

我们这个只是针对只有一个列的varchar_size_demo表来说的，如果表中有多个列，那上边的式子又得改一改了，所以重点就是：你不用关注这个临界点是什么，只要知道如果我们想一个行中存储了很大的数据时，可能发生行溢出的现象。

参考自：https://mp.weixin.qq.com/s/vtIHUlR92GQVG6UW74PEqQ