InnoDB存储结构：表空间、段、区、页

InnoDB存储层次

表空间（Tablespace）
  └─ 段（Segment）
      └─ 区（Extent，1MB = 64页）
          └─ 页（Page，16KB，InnoDB的基本IO单位）
              └─ 行（Row）

1. 表空间（Tablespace）

定义

表空间是InnoDB存储数据的逻辑单位，包含多个段。

分类

系统表空间 vs 独立表空间

-- 查看配置
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_file_per_table';
-- ON：每个表独立.ibd文件（推荐）
-- OFF：所有表共享ibdata1（不推荐）

-- 查看表空间文件
# ls -lh /var/lib/mysql/test/
-rw-r----- 1 mysql mysql  16M users.ibd  -- 独立表空间

优点：

• 独立表空间易于管理（可单独备份、迁移）
• 碎片整理不影响其他表
• DELETE后空间可回收

缺点：

• 文件数量多

2. 段（Segment）

定义

段是一组区的集合，用于管理索引和数据。

分类

B+树索引结构
       根节点（索引段）
      /      \
   分支节点    分支节点（索引段）
   /    \    /    \
 叶子节点 叶子节点 叶子节点 叶子节点（数据段）

3. 区（Extent）

定义

区是连续的64个页（1MB），是InnoDB分配空间的单位。

1个区（Extent）= 64个页 = 64 × 16KB = 1MB

作用

提高磁盘IO效率，减少碎片。

-- 顺序扫描一个区
连续读取64个页（1MB），只需要1次磁盘寻址
-- vs 随机读取64个页
需要64次磁盘寻址（慢）

区的状态

4. 页（Page）

定义

页是InnoDB的基本IO单位，默认大小16KB。

-- 查看页大小
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';
-- 16384（16KB，默认）

为什么是16KB？

1. 磁盘IO优化：一次IO读取16KB，减少IO次数
2. 缓存效率：Buffer Pool以页为单位缓存
3. B+树高度：16KB可以存储更多索引项，减少树高度

页的类型

页的内部结构

┌──────────────────────────────────────┐
│ File Header（38字节）                  │  页头，校验和、页号、前后页指针
├──────────────────────────────────────┤
│ Page Header（56字节）                 │  页状态信息
├──────────────────────────────────────┤
│ Infimum + Supremum（26字节）          │  虚拟最小/最大记录
├──────────────────────────────────────┤
│ User Records（动态）                   │  实际数据行
├──────────────────────────────────────┤
│ Free Space（动态）                     │  空闲空间
├──────────────────────────────────────┤
│ Page Directory（动态）                 │  页内目录（加速查找）
├──────────────────────────────────────┤
│ File Trailer（8字节）                  │  校验和（与File Header对应）
└──────────────────────────────────────┘
总大小：16KB

关键字段：

1. File Header：

   • FIL_PAGE_OFFSET：页号
   • FIL_PAGE_PREV：前一页
   • FIL_PAGE_NEXT：后一页（形成双向链表）

2. Page Directory：

   • 页内槽（Slot），加速二分查找

5. 行（Row）

行格式

详见下一篇《InnoDB行格式：Compact、Redundant、Dynamic》。

存储层次关系

示例：users表

CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(50),
    age INT,
    INDEX idx_name (name)
);

存储结构：

表空间（users.ibd）
  ├─ 数据段（聚簇索引叶子节点）
  │   ├─ 区1（1MB = 64页）
  │   │   ├─ 页1（16KB）：行1-200
  │   │   ├─ 页2（16KB）：行201-400
  │   │   ├─ ...
  │   │   └─ 页64（16KB）
  │   └─ 区2（1MB）
  ├─ 索引段（聚簇索引非叶子节点）
  │   └─ 区3（1MB）
  └─ 索引段（idx_name二级索引）
      └─ 区4（1MB）

性能影响

1. 页大小与B+树高度

假设：
- 主键INT（4字节）
- 每个索引项14字节（主键4 + 页号6 + 其他4）
- 非叶子节点填充率67%

16KB页可以存储：
16384 × 67% / 14 ≈ 783个索引项

B+树高度计算：
- 高度1：1个根节点（索引页），1个叶子节点（数据页）
- 高度2：1个根节点 + 783个叶子节点 = 783 × 80（每页80行） ≈ 62,640行
- 高度3：1个根节点 + 783个分支节点 + 783×783个叶子节点 ≈ 4900万行

结论：3层B+树可以存储约5000万行数据！

2. 顺序IO vs 随机IO

顺序扫描（区为单位）：
读取1MB（64页） = 1次磁盘寻址 + 顺序读取

随机读取（页为单位）：
读取64页 = 64次磁盘寻址（慢10倍+）

实战建议

1. 使用独立表空间

# my.cnf
[mysqld]
innodb_file_per_table = 1  # 默认ON

2. 监控表空间大小

-- 查看表空间大小
SELECT
    table_name,
    ROUND(data_length/1024/1024, 2) AS data_mb,
    ROUND(index_length/1024/1024, 2) AS index_mb,
    ROUND((data_length + index_length)/1024/1024, 2) AS total_mb
FROM information_schema.TABLES
WHERE table_schema = 'test';

3. 回收空间

-- 删除数据后，空间未释放
DELETE FROM users WHERE id < 1000;
-- 表空间仍是原大小

-- 优化表，回收空间
OPTIMIZE TABLE users;
-- 或重建表
ALTER TABLE users ENGINE=InnoDB;

4. 分区表（大表优化）

-- 按范围分区
CREATE TABLE orders (
    id INT,
    order_date DATE,
    amount DECIMAL(10,2)
) PARTITION BY RANGE (YEAR(order_date)) (
    PARTITION p2023 VALUES LESS THAN (2024),
    PARTITION p2024 VALUES LESS THAN (2025),
    PARTITION p2025 VALUES LESS THAN (2026)
);

-- 每个分区一个独立表空间
orders#P#p2023.ibd
orders#P#p2024.ibd
orders#P#p2025.ibd

常见面试题

Q1: InnoDB的存储层次是什么？

• 表空间 → 段 → 区（1MB） → 页（16KB） → 行

Q2: 为什么InnoDB的页大小是16KB？

• 磁盘IO优化、缓存效率、B+树高度控制

Q3: 一个3层B+树可以存储多少行数据？

• 约5000万行（假设每页80行）

Q4: 如何回收DELETE后的表空间？

• OPTIMIZE TABLE 或 ALTER TABLE ENGINE=InnoDB

小结

✅ 表空间：最顶层，包含段（系统表空间、独立表空间） ✅ 段：索引段、数据段、回滚段 ✅ 区：1MB = 64页，减少碎片 ✅ 页：16KB，InnoDB的基本IO单位 ✅ 行：实际数据存储

理解InnoDB存储结构是性能优化的基础。

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