MySQL InnoDB space file


InnoDB 最后的数据都会落到文件中.

整体而言InnoDB 里面除了redo log 以外都使用统一的结构进行管理, 包括system tablespace(ibdata1), user tablespace(用户表空间), undo log, temp tablespace. 这个结构我们统称space file.

接下来会4篇文章介绍InnoDB 主要的从文件, page, index, record 在具体文件里面是如何分布的, 这里大量引用了Jeremy Cole 里面的图片和文章的内容.

同时介绍的过程会结合inno_space 工具直观的打印出文件的内部结构.

什么是inno_space?

inno_space 是一个可以直接访问InnoDB 内部文件的命令行工具, 可以打印出文件的内部结构.

Jeremy Cole 用ruby 写了一个类似的工具, 不过不支持MySQL 8.0, 并且ruby 编译以及改动起来特别麻烦, 所以用cpp 重写了一个. inno_space 做到不依赖任何外部文件, 只需要make, 就可以得到可执行文件, 做到开箱即用.

inno_space 除了支持打印出文件的具体结构之外, 同时还支持修复 corrupt page 功能, 如果遇到InnoDB 表文件中的page 损坏, 实例无法启动的情况, 如果损坏的只是leaf page, inno_space 可以将corrupt page 跳过, 从而保证实例能够启动, 并且将绝大部分的数据找回.

inno_space 还提供分析表文件中的数据情况, 是否有过多的free page, 从而给用户建议是否需要执行 optimize table 等等

具体可以看代码, 在github 上面开源: https://github.com/baotiao/inno_space/commits/main

  1. InnoDB space file 也就是整个InnoDB 文件系统的管理, 介绍.ibd 文件的基础结构. InnoDB space file
  2. InnoDB page management 具体的在InnoDB file space 这些16kb 大小的page 是如何管理的 Page management

  3. InnoDB Index page 上面讲了这16kb 的page 如何管理, 那么我们细看一下最常见的page 类型, Index Page 存的是用户表空间的数据, 这些Index Page 是如何维护成一个table 的数据 Index page

  4. InnoDB record 是具体在InnoDB page 里面, Mysql 里面的record 是如何保存在InnoDB page 里面的 InnoDB record

这篇文章只描述InnoDB file space, 接下来会有文章介绍InnoDB page management, InnoDB page, InnoDB record

1. InnoDB space file 基本结构

Page

在InnoDB 里面, 16kb 大小的page 是最小的原子单元

其他的大小都是在page 之上, 因此有:

1 page = 16kB = 16384 bytes

1 extent = 64 pages = 1 MB

FSP_HDR page = 256 extents = 16384 pages = 256 MB

page 有最基础的38字节的 FIL Header, 8字节的FIL Trailer

Imgur

主要的内容包括:

  1. Checksum: 这个page 的checksum, 用来判断page 是否有corrupt

  2. Page Number: Page Number 可以计算出在文件上的偏移量, 一个page 是否初始化了, 也可以看这个page number 是否设置对了, 这个值其实是冗余的, 根据file offset 可以算出来, 所以这个值是否正确, 就可以知道这个page 是否被初始化了

  3. Previous Page/Next Page: 这个只有在Index page 的时候才有用, 而且只有leaf page 的时候才有用, non-leaf page 是没用的, 大部分类型的page 并没有使用这个字段.

  4. LSN for last page modification: 刷脏的时候, 写入这个page 的 newest_modification_lsn

    ​ mach_write_to_8(page + FIL_PAGE_LSN, newest_lsn);

  5. Page Type: 这个page 具体的类型, 比如是btree index leaf-page, undo log page, btree index non-leaf page, insert buffer, fresh allocated page, 属于ibdata1 的system page 等等. Page Type 最重要, 决定这个page 的用途类型, 里面很多字段就不一样了

  6. Flush LSN: 保存的是已经flush 到磁盘的page 的最大lsn 信息. 只有在space 0 page 0 这个page 里面有用, 其他地方都没用.. 什么用途?什么时候写入? 什么时候读取?

    在进行shutdown 的时候, 或者执行force checkpoint的时候通过 fil_write_flushed_lsn_to_data_files 写入.

    用途是在启动的时候, 读取这个flush lsn, 可以确保这个lsn 之前的page 已经刷到磁盘了, 从这个flush lsn 之后的redo log 才是uncheckpoint redo log, 但是其实redo log 里面已经有了 checkpoint 的信息了, 为何还需要这个字段?

    logs_empty_and_mark_files_at_shutdown =>

    在实例启动的时候, innobase_start_or_create_for_mysql => open_or_create_data_files => fil_read_first_page

    fil_read_first_page 里面会读取出这个lsn 信息, 用于更新启动的时候的 min_flushed_lsn, max_flushed_lsn. 因为这个时候redo log 模块还没有初始化, 可以拿这个两个Lsn 做一些简单的判断

    整体来看, 这个字段目前已经没啥用了, 但是每一个page 都占用了8字节的空间, 还是比较浪费, 可以充分复用

  7. Space ID: 当前Page 所属space ID (8.0 里面已经将该字段删除了)

通过inno_space 可以看到相应的结构:

./inno -f ~/git/primary/dbs2250/sbtest/sbtest1.ibd -p 10

==========================block==========================
FIL Header:
CheckSum: 2065869235
Page number: 10
Previous Page: 9
Next Page: 11
Page LSN: 554513658770
Page Type: 17855
Flush LSN: 0

Space file

一个space file 就是2^32 个page 的合集, 连续64个page 叫做extent, 256个连续的extent 会有一个XDES(extent descriptor) 进行管理, 第一个XDES 又叫做FSP_HDR, 还有一些额外的信息.

下图就是这个基本文件组织结构的描述, 无论是undo space, system space, 用户的table space 都是这样结构

image-20211118052832966

所有的space file 前3个page 都是一样.

page 0 是 FSP_HDR(file space header)

page 1 是 insert buffer bitmap

page 2 是 inode page, 下一节会介绍

The system space

system space 的space id = 0, 文件名叫 ibdata1, 也就是系统文件.

Imgur

page 0, 1, 2 这3个page 所有的space file 都一样

在system space 里面接下来的3, 4, 5 等等page 也都是有指定的用途

page 3 存放的是insert buffer 相关信息

page 4 存放的是insert buffer tree 的root page

page 5 存放的是trx_sys 模块相关信息, 比如最新的trx id, binlog 信息等等.

page 6 存放的是FSP_FIRST_RSEG_PAGE_NO, 也就是undo log rollback segment的header page. 其他的undo log rollback segment 都在不同的undo log 文件中

Imgur

page 7 存放的是 FSP_DICT_HDR_PAGE_NO, 存放的是DD 相关的信息

page 64-127 是first 64 个double write buffer 的位置

page 128-191 是second 64个double write buffer 的位置

剩下的其他page 就有可能被申请成Undo log page 等等了

通过inno_space 打开 ibdata1文件可以观察到如下的信息

File path /home/zongzhi.czz/git/primary/log2250/ibdata1 path
File size 209715200
start           end             count           type
0               0               1               FSP HDR
1               1               1               INSERT BUFFER BITMAP
2               2               1               INDEX NODE PAGE
3               3               1               SYSTEM PAGE
4               4               1               INDEX PAGE
5               5               1               TRX SYSTEM PAGE
6               7               2               SYSTEM PAGE
8               8               1               SDI INDEX PAGE
9               12799           12790           FRESHLY ALLOCATED PAGE

打开一个普通的用户表空间, 可以看到如下的结构.

└─[$] ./inno -f ~/git/primary/dbs2250/sbtest/sbtest1.ibd -c list-page-type
File path /home/zongzhi.czz/git/primary/dbs2250/sbtest/sbtest1.ibd path, page num 0
page num 0
==========================space page type==========================
File size 2604662784
start           end             count           type
0               0               1               FSP HDR
1               1               1               INSERT BUFFER BITMAP
2               2               1               INDEX NODE PAGE
3               3               1               SDI INDEX PAGE
4               16383           16380           INDEX PAGE
16384           16384           1               XDES
16385           16385           1               INSERT BUFFER BITMAP
16386           31990           15605           INDEX PAGE
31991           31999           9               FRESHLY ALLOCATED PAGE
32000           32767           768             INDEX PAGE
32768           32768           1               XDES
32769           32769           1               INSERT BUFFER BITMAP
32770           49151           16382           INDEX PAGE
49152           49152           1               XDES
49153           49153           1               INSERT BUFFER BITMAP
49154           65535           16382           INDEX PAGE
65536           65536           1               XDES
65537           65537           1               INSERT BUFFER BITMAP
65538           81919           16382           INDEX PAGE
81920           81920           1               XDES

下一篇物理页管理我们会更详细的介绍.

File Per Table

InnoDB 常见的file per table 模式下. 一个table 对应一个.ibd 文件.

Imgur

page 0, 1, 2 这3个page 所有的space file 都一样

page 3 一般是 primary index root page.

page 4 一般是 secondary index root page. 当然这里是create table 就指定的时候, 比如如下 page 4 一般是k_1 这个index 的root page

Create Table: CREATE TABLE `sbtest1` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `k` int(11) NOT NULL DEFAULT '0',
  `c` char(120) NOT NULL DEFAULT '',
  `pad` char(60) NOT NULL DEFAULT '',
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `k_1` (`k`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=237723 DEFAULT CHARSET=latin1
1 row in set (0.00 sec)

如果后面运行过程中再加的新的 secondary index, 新的Index的root page 那就不会是连续着的, 而是分散在其他page 上了

alter table sbtest1 add index idx_c(c);

比如执行alter table 以后, 额外增加的一个index, 通过inno_space 工具可以看到每一个index 的root page 所在等等

Example 2:
./inno -f ~/git/primary/dbs2250/sbtest/sbtest1.ibd -c index-summary
File path /home/zongzhi.czz/git/primary/dbs2250/sbtest/sbtest1.ibd path, page num 0
==========================Space Header==========================
Space ID: 15
Highest Page number: 158976
Free limit Page Number: 152256
FREE_FRAG page number: 24
Next Seg ID: 7
File size 2604662784
========Primary index========
Primary index root page space_id 15 page_no 4
Btree hight: 2
<<<Leaf page segment>>>
SEGMENT id 4, space id 15
Extents information:
FULL extent list size 2140
FREE extent list size 0
PARTIALLY FREE extent list size 1
Pages information:
Reserved page num: 137056
Used page num: 137003
Free page num: 53

<<<Non-Leaf page segment>>>
SEGMENT id 3, space id 15
Extents information:
FULL extent list size 1
FREE extent list size 0
PARTIALLY FREE extent list size 1
Pages information:
Reserved page num: 160
Used page num: 116
Free page num: 44

========Secondary index========
Secondary index root page space_id 15 page_no 31940
Btree hight: 2
<<<Leaf page segment>>>
SEGMENT id 6, space id 15
Extents information:
FULL extent list size 7
FREE extent list size 0
PARTIALLY FREE extent list size 219
Pages information:
Reserved page num: 14465
Used page num: 12160
Free page num: 2305

<<<Non-Leaf page segment>>>
SEGMENT id 5, space id 15
Extents information:
FULL extent list size 0
FREE extent list size 0
PARTIALLY FREE extent list size 0
Pages information:
Reserved page num: 19
Used page num: 19
Free page num: 0

**Suggestion**
File size 2604662784, reserved but not used space 39354368, percentage 1.51%
Optimize table will get new fie size 2565308416

  1. 这里tablespace id 是15
  2. Btree 的高度是3层
  3. secondary Index 由于只存索引, 所以primary index 占用的空间是secondary index 的10倍
  4. primary Index 上面大量的page 都是用满的状态, 而secondary 会20% 左右的空闲page
  5. 整体而言, 空闲page 只占了文件的1.51% 左右, 所以不需要做optimize table 操作的