1. 前言
「页」是innodb管理存储空间的基本单位，也是内存和磁盘交互的基本单位。也就是说，哪怕你需要1字节的数据，innodb也会读取整个页的数据，下次读取的数据如果恰巧也在这个页里，就能命中缓存了。写也是一样的，写数据前要先把页加载到内存，然后在内存中修改，该页被记为「脏页」，脏页淘汰之前必须刷盘。
innodb有很多类型的页，它们的用处也各不相同。比如：有存放undo日志的页、有存放inode信息的页、有存放change buffer信息的页、存放用户记录数据的页等等。今天我们要聊的，就是最基础也是最重要的，存放用户记录数据的「索引页」。
2. 索引页结构
innodb默认的页大小是16kb，在初始化表空间之前可以在配置文件中进行配置，一旦初始化完成就不可再变更了。查看页大小的命令如下，显示的是字节数。
索引页结构如下图所示：
索引页由七部分组成，其中infimum和supremum也属于记录，只不过是虚拟记录，这里为了与用户记录区分开，还是决定将两者拆开。
| 名称 | 大小 | 描述 |
|---|---|---|
| file header | 38字节 | 所有页的通用文件头信息 |
| page header | 56字节 | 索引页特有的页头信息 |
| infimum+supremum | 26字节 | 页中虚拟的最小、最大记录 |
| user records | 变长 | 用户记录数据 |
| free space | 变长 | 空闲空间 |
| page directory | 变长 | 页目录，加速页内数据检索效率 |
| file trailer | 8字节 | 所有页的通用文件尾信息，校验页是否完整 |
2.1 file header
file header是所有页都有的一个通用的结构，占用固定的38字节，它记录了页的一些通用的状态信息，例如：页的页号、checksum、把页串联成双向链表的指针、页的类型等等。
| 名称 | 大小 | 描述 |
|---|---|---|
| fil_page_space_or_checksum | 4字节 | 新版本中代表页的校验和checksum |
| fil_page_offset | 4字节 | 页号 |
| fil_page_prev | 4字节 | 上一个页的页号 |
| fil_page_next | 4字节 | 下一个页的页号 |
| fil_page_lsn | 8字节 | 页面最后被修改时的lsn值 |
| fil_page_type | 2字节 | 页的类型 |
| fil_page_file_flush_lsn | 8字节 | 仅在系统表空间的第1个页中使用，代表文件至少被刷新到了对应的lsn值 |
| fil_page_arch_log_no_or_space_id | 4字节 | 页数据哪个表空间 |
fil_page_space_or_checksum
基于当前页计算出的校验和(checksum)，可以把它看作是哈希值，校验和不同，则两个页数据肯定不同。它的作用是innodb在脏页刷盘时，有可能会遇到页刷到一半断电的情况，页的头和尾部分分别记录校验和，只有当头尾的校验和一致的时候，才代表磁盘上的页是完整的，否则就是一个损坏的页。
fil_page_offset
页号，页的唯一标识，全局递增的数字，innodb通过页号来定位唯一的一个页。4字节存储，意味着一个表空间最多可以有232个页，按照一个页16kb计算，则一个表空间最多支持64tb的数据。
fil_page_prev & fil_page_next
一个页大小才16kb，一张表数据其实是由n多个页构成的，页与页之间在物理上可以是不连续的，但是逻辑上要连续，fil_page_prev和fil_page_next分别指向当前页的上一个页和下一个页的页号，通过这两个指针将索引页串联成了一个双向链表。记录与记录之间是单向的，页与页之间是双向的！
fil_page_lsn
页面最后被修改时，对应的lsn值。lsn的全称是log sequence number，日志序列号。它是一个递增的数字，和事务相关，这里不作赘述。
fil_page_type
当前页的类型，innodb为了不同的目的设计了很多不同类型的页，索引页的固定值是0x45bf。
fil_page_file_flush_lsn
仅在第1个页中使用，用来判断数据库是正常关闭还是异常宕机。
fil_page_arch_log_no_or_space_id
仅记录当前页数据哪个表空间。
2.2 page header
page header是索引页特有的结构，占用固定的56字节，它记录了索引页中记录相关的状态信息。
| 名称 | 大小 | 描述 |
|---|---|---|
| page_n_dlr_slots | 2字节 | 页目录中的槽数量 |
| page_heap_top | 2字节 | 未使用的空间最小地址，user records和free space分界点 |
| page_n_heap | 2字节 | 本页中的记录的数量(包括虚拟记录和删除记录) |
| page_free | 2字节 | 第一个删除的记录地址，后续删除的记录会形成链表。 |
| page_garbage | 2字节 | 已删除记录占用的字节数 |
| page_last_insert | 2字节 | 最后插入记录的位置 |
| page_direction | 2字节 | 记录插入的方向 |
| page_n_direction | 2字节 | 同一个方向连续插入的记录数量 |
| page_n_recs | 2字节 | 该页中记录的数量(不包括虚拟记录和删除记录) |
| page_max_trx_id | 8字节 | 修改当前页的最大事务id，仅在二级索引中使用 |
| page_level | 2字节 | 当前页在b+树中所处的层级 |
| page_index_id | 8字节 | 索引id，表示当前页属于哪个索引 |
| page_btr_seg_leaf | 10字节 | b+树叶子段的头部信息，仅在b+树的root页定义 |
| page_btr_seg_top | 10字节 | b+树非叶子段的头部信息，仅在b+树的root页定义 |
不用每个属性都了解，我们挑几个比较重要的看看。
page_n_dlr_slots
一个页内可能有上千条记录，挨个遍历的话效率太慢了。为了提高页内记录的检索效率，innodb将页内的记录划分为多个组，组里最大的那条记录相较于页的地址偏移量会记录到「page directory」部分，每个组都对应一个槽，槽的大小是固定的2字节。该属性记录的就是页内槽的数量。
page_heap_top
free space的起始位置，它是user records和free space分界点。一个全新的页一开始是没有user records部分的，每插入一条记录，都要向free space申请空间，free space耗尽就代表页满了。
page_free
delete命令删除记录时，innodb并不会真的将记录从磁盘中删除，而是在记录的头信息里打个标记，然后将其加入到「垃圾链表」中。page_free指向的就是垃圾链表的表头记录。后面删除的记录，也会自动加入到链表里。
page_direction & page_n_direction
page_direction表示最后一条记录插入的方向，比上一条记录值大则记为右边，反之则是左边。page_n_direction表示同一方向连续插入的记录数，方向变了该值就会重置。
page_level
innodb组织数据的形式就是b+树，树中的节点就是索引页，page_level代表当前页在b+树中所处的层级。innodb规定，叶子节点层级为0，然后向上递增。
2.3 user records
infimum和supremum也属于记录，只是为了与用户记录区分开才划分成了两部分，我们先看user records。
用户记录存放在user records部分，一个全新的页一开始全是free space，是没有user records部分的。每插入一条记录都需要到free space申请一块空间，并将其划分到user records用来存放用户记录。当free space耗尽也就代表当前页已经用完了，再有新记录需要插入，就需要申请一个新的页了。
还记得mysql的行格式吗？它决定了记录在磁盘里的存储格式。以compact为例，存储格式如下图：
记录头信息里的字段比较关键，以防大家忘记，我这里再贴一下：
| 名称 | 大小(bit) | 说明 |
|---|---|---|
| 预留位1 | 1 | 没有使用 |
| 预留位2 | 1 | 没有使用 |
| deleted_flag | 1 | 记录删除标记 |
| min_rec_flag | 1 | b+树非叶子节点的最小目录项标记 |
| n_owned | 4 | 同一页内同一组里最大的记录会记录组里的记录数量，其余记录该值为0 |
| heap_no | 13 | 当前记录在页面堆里的相对位置 |
| record_type | 3 | 记录类型。0:普通记录,1:b+树非叶子节点目录项记录,2:infimum记录,3:supremum记录. |
| next_record | 16 | 下一条记录的相对位置 |
记录头信息的最后2字节用来连接下一条记录，将页内所有记录串联成一个单向链表。所以我们隐藏变长字段长度列表和null值列表，记录的格式应该是这样的：
记录是怎么排序的？
我们已经知道，页内的记录会自动串联成一个单向链表。那这个链表的编排顺序是什么呢？是按照记录的插入时间排序的吗？其实不是的，如果表有主键，会根据主键排序；没主键有唯一非空索引，会根据该索引排序；两者都没有，innodb会自动生成一个row_id列并根据该列进行排序。
若无特殊说明，本文均假定表有主键。
2.4 infimum & supremum
infimum和supremum是索引页内的两条虚拟记录，innodb规定所有索引页都会有这两条记录，而且所有的用户记录都比infimum大，都比supremum小。
记录头信息里的heap_no代表记录在堆里的相对位置，该值越小代表记录越靠前。细心的同学会发现，上图中的用户记录heap_no值是从2开始的，那0和1呢？不说你也肯定猜到了，就是被infimum和supremum占用了。infimum和supremum的heap_no值分别是0和1，它俩在所有用户记录的最前面。
infimum和supremum结构非常的简单，和用户记录一样也有头信息，真实数据部分是固定的字符串，如下图所示：
我们把这两条虚拟记录也加入到记录里面，完整的结构就是下面这样的：
supremum记录的next_record属性为0，代表它已经没有下一条记录了。
2.5 page directory
free space没什么好说的，就是一块未被使用的空闲空间。
page directory也叫作「页目录」，它的目的是提高页内记录的检索效率。相较于一张表几千万的记录来说，一个页内几百上千条记录已经是很少很少了。可即便如此，它也有几百上千条啊，如果页内检索记录只能挨个遍历的话，那也太低效了。别忘了，页内的记录是根据索引值排好序的，我们可以巧用「二分法」来快速查找。
具体做法是：将页内所有非删除的记录划分为n个组，每个组里最后一条记录(即主键最大的记录)称作“大哥”，其余记录是“小弟”，“大哥”的n_owned属性记录了组内的记录数量。将“大哥”在页内的地址偏移量提取出来，按顺序依次从file trailer部分往前写，每个地址偏移量占用2字节，称作一个「槽」，page directory就是由这些槽构成的。
innodb对于分组内的记录数量有一些规定：
- infimum记录所在分组，只能有一条记录。
- supremum记录所在分组，允许有1~8条记录。
- 其余分组，允许有4~8条记录。
由此可见，一个组里最多有8条记录，只要通过二分法快速定位到组，innodb也只需要遍历这8条记录，相较于遍历页内所有记录，效率要高的多。
2.6 file trailer
file trailer是所有页都有的通用结构，占用固定的8字节，它的主要作用就是为了校验页的完整性。磁盘的速度实在是太慢了，innodb不会每次写点数据都直接刷新到磁盘上，那样mysql会慢死。而是将页作为刷盘的基本单位，数据修改时，先改内存里的页，稍后再将整个页的数据一次性刷新到磁盘里。但是这会带来一个问题，一个页16kb，刷到第10kb的时候磁盘断电了怎么办？重启后innodb如何判断磁盘里的页数据是完整的？
innodb是这么处理的，刷盘前根据页数据计算出一个checksum，在页头和页尾都写一份。页刷盘的时候，先刷页头再刷页尾，当头尾两个checksum值一致的时候，代表磁盘里的页是完整的，否则就表示页头刷了页尾没刷，那肯定是刷到一半出错了。
| 大小 | 说明 |
|---|---|
| 4字节 | 页的校验和checksum |
| 4字节 | 页最后被修改时对应的lsn的后4个字节，正常情况下应该与file header里的fil_page_lsn的后4个字节相同。 |
3. 总结
页是innodb存取数据的基本单位，默认页大小是16kb，innodb为了不同的目的设计了很多不同类型的页，本文重点分析了存放用户记录的索引页。页的头尾部分file header和file trailer是所有页都有的一个通用结构，它们记录了页的一些通用状态信息，和checksum用来验证页的完整性。page header是索引页特有的结构，它记录了页内用户记录相关的状态信息。user records部分用来存放用户记录。另外，由于页内的记录数量也不少，为了提高页内记录的检索效率，innodb在索引页中加入了page directory，它通过将记录分组，将组里最大的记录的地址偏移量形成一个个槽，page directory就是由这些槽构成的。检索数据时，使用二分法快速定位到槽所在的组，就可以避免遍历所有组的记录了。
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