解读InnoDB数据库索引页与数据行的紧密关联

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一、快速走进索引页结构

在InnoDB存储引擎的世界里，数据存储和管理就像是一座繁忙而有序的城市。在这座城市中，每一块16KB大小的土地都被称为一个“页”（Page），而这些页是城市基础设施的核心，其主角就是“索引页”（INDEX页），这些页专门用于存储我们表中的实际记录数据，因此也被称为“数据页”（Data Page）。

（一）整体展示说明

索引页就像是城市中的一栋多层大厦。这栋大厦不仅要存放数据，还需要具备高效的检索功能。为了达到这个目的，InnoDB使用了一种高效的B+树结构，每个索引页就是这棵大树上的一个节点。索引页的大小固定为16KB，这个大小经过优化，既能高效利用磁盘空间，又能在内存中快速读取。整体页展示如下：

在这栋大厦中，各个部分各司其职，确保数据的高效存储和快速访问。File Header是大厦的门卫，Page Header是楼层管理，Infimum和Supremum是地基和天花板，User Records是居民，Free Space是预留的空房间，Page Directory是导航系统，File Trailer是安防系统。

（二）内容说明

File Header（文件头部）

占用空间38 字节，文件头部存储了页的一些基础信息：

Page Type（页类型）：标识该页的类型（如数据页、索引页）。
Page Number（页号）：当前页在表空间中的唯一编号。
Checksum（校验和）：用于检测页在读写过程中的完整性。

具像化理解：就像是办公楼的铭牌，记录了楼的基本信息和身份标识。

Page Header（页面头部）

占用空间56 字节，页面头部包含数据页特有的信息：

Number of Records（记录数量）：当前页中存储的记录数量。
Free Space Pointer（空闲空间指针）：指向页中第一个可用的空闲空间位置。
Heap Top（堆顶位置）：记录当前页中数据存储的最高位置。
Page Level（页级别）：表示当前页在 B+ 树中的层级。

具像化理解：相当于楼的管理办公室，记录了楼内的各种管理信息，如有多少办公室空闲。

Infimum + Supremum（最小记录和最大记录）

占用空间26 字节，这两个虚拟记录用于定义页中的记录范围：

Infimum Record（最小记录）：一个特殊的最小记录，用于标示页的起始。
Supremum Record（最大记录）：一个特殊的最大记录，用于标示页的结束。

具像化理解：类似楼的基础和屋顶，标示了楼的起点和终点。

User Records（用户记录）

占用空间不确定，实际存储的用户数据记录：

Record Header（记录头部）：包含记录的元数据，例如记录长度和下一条记录的指针。
Record Data（记录数据）：实际的数据内容，包括各字段的值。

具像化理解：实际的办公室，里面有员工在工作，记录了具体的数据内容。

Free Space（空闲空间）

占用空间不确定，空闲空间用于存储新插入的记录，随着记录的插入，空闲空间逐渐减少：

Insertions（插入）：当有新记录插入时，系统会在此区域寻找合适的空闲位置。
Deletions（删除）：删除记录后，空间会返回到空闲区域供新记录使用。

具像化理解：尚未出租的办公室，未来可以容纳新的员工（数据）。

Page Directory（页面目录）

占用空间不确定，页面目录包含记录的相对位置，用于快速检索记录：

Directory Slots（目录槽）：指向页中各记录的位置，便于快速定位和检索。
Efficiency（效率）：通过目录可以快速定位记录，提高检索效率。

具像化理解：大楼的导览图，帮助快速找到特定的办公室（记录）。

File Trailer（文件尾部）

占用空间8 字节，文件尾部包含校验信息，用于验证页的完整性：

Checksum（校验和）：再次验证页的数据完整性，确保数据在读写过程中未被破坏。

具像化理解：大楼的安保系统，确保大楼的安全和完整性。

二、索引页与记录行的简单关系说明

在 InnoDB 中，数据页通过双向链表连接，每个数据页内的记录行按照主键值从小到大的顺序组成单向链表，并且每个数据页都有一个页目录用于快速定位记录。

查找记录时，先在页目录中使用二分法定位到特定槽，再在该槽对应的记录组中顺序遍历找到目标记录。通过这种设计，InnoDB 能够高效地管理和查找数据，确保数据库系统的高性能和可靠性。

（一）数据页的双向链表结构

每个数据页被组织成一个双向链表，这意味着每个数据页都有指向前一个页和后一个页的指针（File Header 记录了页的基础信息和链表指针）。通过这种双向链表结构，InnoDB 可以方便地进行数据页的插入、删除和遍历操作。这种设计保证了数据页之间的高效连接和管理。

（二）记录行的单向链表结构

在每个数据页中，记录行按照主键值从小到大的顺序组织成一个单向链表。这种有序的结构使得在数据页内查找记录变得更加高效。每条记录不仅存储了自身的数据，还包含指向下一条记录的指针，这样可以顺序遍历记录。

每个数据页都有一个页目录，页目录可以看作是数据页内的索引结构。页目录将记录分成多个组，每个组在页目录中都有一个槽。通过页目录，InnoDB 可以快速定位到特定记录所在的组，从而减少遍历记录的时间。

当需要通过主键查找某条记录时，InnoDB 会先在页目录中使用二分法快速定位到对应的槽。页目录中的槽指向该槽对应的记录组，接着在该组中遍历记录，直到找到目标记录。这种查找过程结合了二分查找和顺序遍历的优点，既高效又精确。

三、InnoDB 数据页中的 User Records 与 Free Space

InnoDB 数据页中的 User Records 和 Free Space 部分密切相关。随着记录的不断插入，Free Space 部分的空间会逐渐分配给 User Records 部分，直到 Free Space 被完全消耗。当一个数据页满了之后，InnoDB 会申请新的数据页并将其链接到现有的双向链表中，继续存储新的记录。也就是在页未满前页的存储主要在User Records 和 Free Space发生，页满后将触达到双向链表页中。

（一）页满前的处理

初始状态

User Records：初始为空，没有实际数据存储。
Free Space：占据大部分页空间，等待新记录的插入。

存储过程

记录插入：当用户插入一条记录时，系统会从 Free Space 部分中申请一个合适大小的空间用于存储这条记录。这条记录被存储到 User Records 部分。
空间调整：随着记录的插入，User Records 部分逐渐增大，存储越来越多的用户数据。同时，Free Space 部分的可用空间减少，逐步被 User Records 部分替代。
页满状态：当 Free Space 部分被完全消耗，整个数据页被 User Records 部分占据，意味着该页已满，无法再存储新的记录。