`InnoDB`的`File Space`管理：`段`、`区`、`页`的`物理`组织与`空间`分配算法。

InnoDB File Space 管理：段、区、页的物理组织与空间分配算法

大家好，今天我们来深入探讨 InnoDB 存储引擎中关于 File Space 管理的核心概念：段 (Segment)、区 (Extent) 和页 (Page)，以及它们之间的物理组织关系和空间分配算法。理解这些概念对于优化 MySQL 数据库性能至关重要。

1. File Space 概述

InnoDB 将所有的数据，包括表数据、索引数据、系统数据（如数据字典）等，都存储在一个或多个数据文件中。这些数据文件共同构成了一个 File Space。File Space 提供了一种逻辑上的视图，使得 InnoDB 可以统一管理磁盘上的存储空间。

InnoDB 默认使用共享表空间 (System Tablespace)，即所有表的数据和索引都存储在一个名为 ibdata1 的文件中（或多个 ibdataN 文件）。当然，也可以配置为每个表使用独立表空间 (File-Per-Table Tablespace)，在这种模式下，每个表的数据和索引都会存储在一个独立的 .ibd 文件中。

无论使用哪种表空间模式，InnoDB 内部都采用统一的机制来管理 File Space，也就是我们今天要重点讨论的段、区和页。

2. 页 (Page)

页是 InnoDB 磁盘管理的最小单元。InnoDB 将磁盘上的数据划分为固定大小的页，进行读写操作都是以页为单位进行的。

• 页大小: InnoDB 的默认页大小为 16KB。这个值可以在编译时配置，但通常不建议修改。
• 页类型: InnoDB 定义了多种页类型，用于存储不同类型的数据，例如：
  • FIL_PAGE_INDEX: 索引页，存储 B+ 树索引节点。
  • FIL_PAGE_UNDO_LOG: Undo 页，存储事务的回滚信息。
  • FIL_PAGE_INODE: Inode 页，存储 Extent 的元数据信息。
  • FIL_PAGE_IBUF: Insert Buffer 页，用于优化非唯一索引的插入操作。
  • FIL_PAGE_TYPE_ALLOCATED: 已分配的页，但尚未被使用。
  • FIL_PAGE_TYPE_FREE: 空闲页，可供分配。

页的结构:

一个页包含多个部分，重要的部分包括：

• File Header: 存储页的通用信息，例如页类型、页号、校验和等。
• Page Header: 存储页的状态信息，例如页中记录的数量、空闲空间起始位置等。
• User Records: 存储实际的数据记录或索引记录。
• Free Space: 页中未使用的空间，用于插入新的记录。
• File Trailer: 存储页的校验和，用于检测数据是否损坏。

代码示例 (简化版):

虽然无法直接访问 InnoDB 内部的数据结构，但我们可以用 C++ 代码模拟一个简化的页结构：

#include <iostream>
#include <vector>

const int PAGE_SIZE = 16 * 1024; // 16KB
const int FILE_HEADER_SIZE = 38; // 简化版，实际大小可能不同
const int PAGE_HEADER_SIZE = 56; // 简化版，实际大小可能不同
const int FILE_TRAILER_SIZE = 8;

struct FileHeader {
    int page_type;
    int page_number;
    // ... 其他字段
};

struct PageHeader {
    int n_records;
    int free_space_offset;
    // ... 其他字段
};

struct Page {
    FileHeader file_header;
    PageHeader page_header;
    std::vector<char> user_records;
    std::vector<char> free_space;
    std::vector<char> file_trailer;

    Page() : user_records(PAGE_SIZE - FILE_HEADER_SIZE - PAGE_HEADER_SIZE - FILE_TRAILER_SIZE),
             free_space(PAGE_SIZE - FILE_HEADER_SIZE - PAGE_HEADER_SIZE - FILE_TRAILER_SIZE)
            {
              file_trailer.resize(FILE_TRAILER_SIZE);
            }
};

int main() {
    Page my_page;
    my_page.file_header.page_type = 1; // FIL_PAGE_INDEX
    my_page.file_header.page_number = 10;

    std::cout << "Page size: " << PAGE_SIZE << std::endl;
    std::cout << "User records size: " << my_page.user_records.size() << std::endl;

    return 0;
}

这段代码定义了一个简化的 Page 结构，展示了页的基本组成部分。实际上，InnoDB 的页结构远比这复杂，包含了更多的元数据和控制信息。

3. 区 (Extent)

为了更好地管理磁盘空间，InnoDB 将连续的页组合成区。一个区由多个连续的页组成。

• 区大小: InnoDB 中，一个区通常包含 64 个连续的页，因此一个区的大小为 64 * 16KB = 1MB。
• 区类型: 与页类似，区也有不同的类型，例如数据区、索引区、Undo 区等。

Extent 的作用:

• 减少碎片: 通过分配连续的页，减少磁盘碎片。
• 提高 I/O 效率: 连续的页可以进行顺序 I/O，提高读写性能。
• 空间分配单元: InnoDB 以区为单位进行空间的分配和回收。

Extent 的管理:

InnoDB 使用 Inode 页来管理 Extent。每个 Extent 都有一个对应的 Inode 条目，存储在 Inode 页中。Inode 条目记录了 Extent 的起始页号、已使用页的数量等信息。

代码示例 (模拟 Extent 的分配):

#include <iostream>
#include <vector>

const int PAGE_SIZE = 16 * 1024;
const int EXTENT_SIZE = 64 * PAGE_SIZE;

struct Extent {
    int start_page_number;
    int used_pages;
    std::vector<char> data;

    Extent(int start_page) : start_page_number(start_page), used_pages(0), data(EXTENT_SIZE) {}

    bool allocate_page() {
        if (used_pages < 64) {
            used_pages++;
            return true;
        } else {
            return false; // Extent is full
        }
    }
};

int main() {
    Extent my_extent(100); // Start at page number 100

    std::cout << "Extent size: " << EXTENT_SIZE << std::endl;

    for (int i = 0; i < 65; ++i) {
        if (my_extent.allocate_page()) {
            std::cout << "Allocated page " << i + 1 << " in extent." << std::endl;
        } else {
            std::cout << "Extent is full!" << std::endl;
            break;
        }
    }

    return 0;
}

这个示例模拟了一个简单的 Extent 结构，以及分配页的过程。实际的 InnoDB 代码会更复杂，涉及到 Inode 页的管理和空间的回收。

4. 段 (Segment)

段是 InnoDB 中更高层次的逻辑概念。一个段代表了一系列区 (Extent) 的集合，用于存储特定类型的数据。

• 段类型: InnoDB 主要有两种类型的段：
  • 数据段 (Data Segment): 存储表的数据记录。
  • 索引段 (Index Segment): 存储表的索引数据。

段的作用:

• 组织数据: 将不同类型的数据 (数据和索引) 分开存储，方便管理。
• 空间分配: 段负责管理其拥有的区，并根据需要分配新的区。
• 逻辑视图: 为用户提供了一个逻辑上的数据组织方式。

段的管理:

每个段都对应一个 inode 结构（注意不是文件系统的 inode），存储了段的元数据信息，例如段的类型、已分配的区列表等。inode 结构存储在 Inode 页中。

段与区、页的关系:

一个段包含多个区，每个区包含多个页。数据记录或索引记录最终存储在页中。

段 (Segment)
  └── 区 (Extent)
       └── 页 (Page)
            └── 数据记录 (Data Records)

代码示例 (模拟段的创建和区的分配):

#include <iostream>
#include <vector>

const int PAGE_SIZE = 16 * 1024;
const int EXTENT_SIZE = 64 * PAGE_SIZE;

struct Extent {
    int start_page_number;
    int used_pages;
    std::vector<char> data;

    Extent(int start_page) : start_page_number(start_page), used_pages(0), data(EXTENT_SIZE) {}

    bool allocate_page() {
        if (used_pages < 64) {
            used_pages++;
            return true;
        } else {
            return false; // Extent is full
        }
    }
};

enum SegmentType {
    DATA_SEGMENT,
    INDEX_SEGMENT
};

struct Segment {
    SegmentType type;
    std::vector<Extent> extents;

    Segment(SegmentType segment_type) : type(segment_type) {}

    bool allocate_extent(int start_page) {
        extents.emplace_back(start_page);
        return true;
    }
};

int main() {
    Segment data_segment(DATA_SEGMENT);
    data_segment.allocate_extent(200); // Allocate a new extent starting at page 200

    std::cout << "Data segment created." << std::endl;
    std::cout << "Number of extents in data segment: " << data_segment.extents.size() << std::endl;

    return 0;
}

这个示例模拟了段的创建和区的分配。实际的 InnoDB 代码会涉及到更复杂的段管理操作，例如段的扩展、收缩等。

5. InnoDB 空间分配算法

InnoDB 使用复杂的空间分配算法来管理 File Space。主要的算法包括：

• 首次适应 (First Fit): 从空闲空间列表的起始位置开始查找，找到第一个足够大的空闲区进行分配。
• 最佳适应 (Best Fit): 遍历整个空闲空间列表，找到最接近所需大小的空闲区进行分配。
• 伙伴系统 (Buddy System): 将空闲空间划分为大小相等的块，并使用二叉树来管理这些块。当需要分配空间时，从二叉树中查找合适大小的块。如果找不到，则将更大的块分割成两个较小的块，直到找到合适大小的块。

InnoDB 实际使用的空间分配算法比这些基本算法更复杂，会考虑多种因素，例如空间的连续性、I/O 效率等。

Free List:

InnoDB 使用 Free List 来管理空闲区和空闲页。Free List 是一个链表，其中每个节点指向一个空闲区或空闲页。

空间回收:

当数据被删除或索引被删除时，InnoDB 会将相应的空间标记为空闲，并将其添加到 Free List 中。

代码示例 (模拟 Free List):

#include <iostream>
#include <list>

struct FreeExtent {
    int start_page_number;
    int size; // Number of pages in the extent
};

int main() {
    std::list<FreeExtent> free_list;

    // Add some free extents to the list
    free_list.push_back({300, 64}); // Extent starting at page 300, size 64 pages
    free_list.push_back({400, 64}); // Extent starting at page 400, size 64 pages

    // Simulate allocating an extent of 32 pages
    int required_size = 32;
    for (auto it = free_list.begin(); it != free_list.end(); ++it) {
        if (it->size >= required_size) {
            std::cout << "Found a free extent at page " << it->start_page_number
                      << " with size " << it->size << std::endl;

            // Split the extent if necessary
            if (it->size > required_size) {
                FreeExtent new_extent = {it->start_page_number + required_size, it->size - required_size};
                free_list.insert(std::next(it), new_extent);
                it->size = required_size;
            }

            std::cout << "Allocated extent at page " << it->start_page_number
                      << " with size " << it->size << std::endl;

            free_list.erase(it); // Remove allocated extent from free list
            break;
        }
    }

    return 0;
}

这个示例模拟了一个简单的 Free List，以及从 Free List 中分配空间的过程。实际的 InnoDB Free List 实现会更复杂，涉及到页的合并、分割等操作。

6. InnoDB 空间碎片问题

由于频繁的插入、删除操作，File Space 中可能会出现空间碎片。空间碎片会导致 I/O 效率降低，影响数据库性能。

碎片类型:

• 内部碎片: 由于页的大小固定，当存储的数据小于页大小时，会导致页中存在未使用的空间，这就是内部碎片。
• 外部碎片: File Space 中存在很多小的、不连续的空闲区，这些空闲区无法满足大空间的分配需求，这就是外部碎片。

减少碎片的方法:

• 定期优化表: 使用 OPTIMIZE TABLE 命令可以重新组织表的数据和索引，减少碎片。
• 使用独立表空间: 独立表空间可以减少共享表空间中的碎片。
• 合理设计表结构: 避免使用过大的数据类型，减少内部碎片。

7.空间管理相关的参数

以下列出了一些与InnoDB空间管理相关的重要的MySQL配置参数，并简要描述其作用：

参数名	作用
innodb_file_per_table	控制是否为每个表使用独立的表空间。设置为 ON 时，每个表的数据和索引存储在一个独立的 .ibd 文件中。
innodb_data_file_path	定义共享表空间的数据文件路径和大小。
innodb_data_home_dir	定义共享表空间数据文件的存放目录。
innodb_page_size	定义 InnoDB 页的大小。默认值为 16KB。通常不建议修改此参数。
innodb_undo_tablespaces	定义 Undo 日志的独立表空间数量。
innodb_undo_directory	指定undo日志的存放目录.
innodb_optimize_fulltext_only	OPTIMIZE TABLE 语句的行为。 如果启用，则 OPTIMIZE TABLE 仅重建表的全文索引，否则，该语句将重建整个表。
innodb_compression_algorithm	InnoDB压缩表的压缩算法。可能的值包括：none，lz4，zlib，zstd。
innodb_compression_level	控制使用 zlib 压缩算法的压缩级别.

总结 InnoDB File Space 管理机制

InnoDB 的 File Space 管理涉及到段、区、页三个层次的逻辑组织。页是最小的存储单元，区是连续页的集合，段是区的集合，用于存储特定类型的数据。 InnoDB 使用复杂的空间分配算法来管理 File Space，并使用 Free List 来跟踪空闲空间。空间碎片是一个常见的问题，可以通过优化表结构、定期优化表等方法来减少碎片。 理解这些概念对于优化 MySQL 数据库性能至关重要。