MySQL Innodb 存储结构 & 存储Null值（是否存溢出段，查询查看）

hh3755 2015-02-08

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背景:
再一次看完<MySQL 技术内幕-Innodb存储引擎> 一书的的第4章。对前面五节的内容做又有了新的认识，顺便做下笔记。先了解下相关的概念：
表空间：INNODB 所有数据都存在表空间当中（共享表空间），要是开启innodb_file_per_table，则每张表的数据会存到单独的一个表空间内（独享表空间）。
独享表空间包括：数据，索引，插入缓存，数据字典。共享表空间包括：Undo信息（不会回收<物理空间上>），双写缓存信息，事务信息等。
段（segment）：组成表空间，有区组成。
区（extent）：有64个连续的页组成。每个页16K，总共1M。对于大的数据段，每次最后可申请4个区。
页（page）：是INNODB 磁盘管理的单位，有行组成。
行（row）：包括事务ID，回滚指针，列信息等。

目的1：
了解表空间各个页的信息和溢出行数据存储的信息。通过该书作者蒋承尧编写的工具：http://code.google.com/p/david-mysql-tools/source/browse/trunk/py_innodb_page_type/
3个脚本：
py_innodb_page_info.py

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mylib.py

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include.py

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测试1：

root@localhost : test 02:26:13>create table tt(id int auto_increment,name varchar(10),age int,address varchar(20),primary key (id))engine=innodb;
Query OK, 0 rows affected (0.17 sec)
root@zhoujy:/var/lib/mysql/test# ls -lh tt.ibd 
-rw-rw---- 1 mysql mysql 96K 2012-10-17 14:26 tt.ibd

查看ibd：

root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# python py_innodb_page_info.py /var/lib/mysql/test/tt.ibd -v
page offset 00000000, page type <File Space Header>
page offset 00000001, page type <Insert Buffer Bitmap>
page offset 00000002, page type <File Segment inode>
page offset 00000003, page type <B-tree Node>, page level <0000> ---叶子节点
page offset 00000000, page type <Freshly Allocated Page>
page offset 00000000, page type <Freshly Allocated Page>
Total number of page: 6: 
Freshly Allocated Page: 2
Insert Buffer Bitmap: 1
File Space Header: 1
B-tree Node: 1
File Segment inode: 1

解释：
Total number of page: 总页数
Freshly Allocated Page:可用页
Insert Buffer Bitmap:插入缓存位图页
Insert Buffer Free List:插入缓存空闲列表页
B-tree Node:数据页
Uncompressed BLOB Page:二进制大对象页，存放溢出行的页，即溢出页
上面得到的信息是表初始化大小为96K，他是有 Total number of page * 16 得来的。1个数据页，2个可用页面。

root@localhost : test 02:42:58>insert into tt values(name,age,address) values('aaa',23,'HZZZ');

疑惑：为什么没有申请区？区是64个连续的页，大小1M。那么表大小也应该是至少1M。但是现在只有96K（默认）。原因是因为每个段开始的时候，先有32个页大小的碎片页存放数据，使用
完之后才是64页的连续申请，最多每次可以申请4个区，保证数据的顺序。这里看出表大小增加是按照至少64页的大小的空间来增加的，即1M增加。
验证：
填充数据，写满这32个碎片页，32*16 = 512K。看看是否能申请大于1M的空间。

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"额外"页：4个
page offset 00000000, page type <File Space Header> :文件头空间页
page offset 00000001, page type <Insert Buffer Bitmap>：插入缓存位图页
page offset 00000002, page type <File Segment inode>：文件段节点
page offset 00000003, page type <B-tree Node>, page level <0001>：根页
碎片页：32个
page type <B-tree Node>, page level <0000>
总共36个页，ibd大小 576K的由来：32*16=512K（碎片页）+ 4*16=64（额外页），这里开始要是再插入的话，应该申请最少1M的页：

root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# ls -lh /var/lib/mysql/test/tt.ibd 
-rw-rw---- 1 mysql mysql 2.0M 2012-10-17 16:10 /var/lib/mysql/test/tt.ibd
root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# python py_innodb_page_info.py /var/lib/mysql/test/tt.ibd
Total number of page: 128:
Freshly Allocated Page: 91
Insert Buffer Bitmap: 1
File Space Header: 1
B-tree Node: 34
File Segment inode: 1

页从36跳到了128，因为已经用完了32个碎片页，新的页会采用区的方式进行空间申请。信息中看到有很多可用页，正好说明这点。

▲溢出行数据存放：INNODB存储引擎是索引组织的，即每页中至少有两行记录，因此如果页中只能存放一行记录，INNODB会自动将行数据放到溢出页中。当发生溢出行的时候，实际数据保存在BLOB页中，数据页只保存数据的前768字节（老的文件格式），新的文件格式（Barracuda）采用完全行溢出的方式，数据页只保存20个字节的指针，BLOB也保存所有数据。如何查看表中有溢出行数据呢？

root@localhost : test 04:52:34>create table t1 (id int,name varchar(10),memo varchar(8000))engine =innodb default charset utf8;
Query OK, 0 rows affected (0.16 sec)

root@localhost : test 04:53:10>insert into t1 values(1,'zjy',repeat('我',8000));
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

查看ibd：

root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# python py_innodb_page_info.py /var/lib/mysql/test/t1.ibd -v
page offset 00000000, page type <File Space Header>
page offset 00000001, page type <Insert Buffer Bitmap>
page offset 00000002, page type <File Segment inode>
page offset 00000003, page type <B-tree Node>, page level <0000>
page offset 00000004, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000005, page type <Uncompressed BLOB Page>
Total number of page: 6:
Insert Buffer Bitmap: 1
Uncompressed BLOB Page: 2
File Space Header: 1
B-tree Node: 1
File Segment inode: 1

从信息中看到，刚才插入的一行记录，已经溢出了，保存到了2个BLOB页中（<Uncompressed BLOB Page>）。因为1页只有16K，又要存2行数据，所以每行记录最好小于8K，而上面的远远大于8K，所以被溢出了。当然这个也不是包括特大字段，要是一张表里面有5个字段都是varchar(512)【多个varchar的总和大于8K就可以】，也会溢出：

root@localhost : test 05:08:39>create table t2 (id int,name varchar(1000),address varchar(512),company varchar(200),xx varchar(512),memo varchar(512),dem varchar(1000))engine =innodb default charset utf8;
Query OK, 0 rows affected (0.17 sec)
root@localhost : test 05:08:43>insert into t2 values(1,repeat('周',1000),repeat('我',500),repeat('丁',500),repeat('啊',500),repeat('噢',500),repeat('阿a',500));

1000+500+500+500+500+500=3500*3>8000字节；行会被溢出：

root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# python py_innodb_page_info.py /var/lib/mysql/test/t2.ibd -v
page offset 00000000, page type <File Space Header>
page offset 00000001, page type <Insert Buffer Bitmap>
page offset 00000002, page type <File Segment inode>
page offset 00000003, page type <B-tree Node>, page level <0000>
page offset 00000004, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000000, page type <Freshly Allocated Page>
Total number of page: 6:
Insert Buffer Bitmap: 1
Freshly Allocated Page: 1
File Segment inode: 1
B-tree Node: 1
File Space Header: 1
Uncompressed BLOB Page: 1

<Uncompressed BLOB Page> 页存放真正的数据，那数据页到底存放什么？用hexdump查看：

root@zhoujy:/home/zhoujy/jiaoben/read_ibd# hexdump -C -v  /var/lib/mysql/test/t1.ibd  > t1.txt

查看ibd：

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文本中刚好是48行，每行16字节。48*16=768字节，刚好验证了之前说的：数据页只保存数据的前768字节（老的文件格式）。

总结1:
通过上面的信息，可以能清楚的知道ibd表空间各个页的分布和利用信息以及表空间大小增加的步长；特别注意的是溢出行，一个页中至少包含2行数据，如果页中存放的行数越多，性能就越好。

************************************
************************************
目的2：
了解表空间如何存储数据，以及对NULL值的存储。
测试2：
在测试前先了解INNODB的存储格式（row_format）。老格式（Antelope）：Compact<默认>，Redumdant；新格式（Barracuda）：Compressed ，Dynamic。
这里测试指针对默认的存储格式。
Compact行记录方式如下:

   |变长字段长度列表（1~2字节）|NULL标志位（1字节）|记录头信息（5字节）|RowID（6字节）|事务ID（6字节）|回滚指针（7字节）|

上面信息除了 "NULL标志位"[表中所有字段都定义为NOT NULL]，"RowID"[表中有主键] ，"变长字段长度列表" [没有变长字段] 可能不存在外，其他信息都会出现。所以一行数据除了列数据所占用的字段外，还需要额外18字节。

一:字段全NULL

mysql> create table mytest(t1 varchar(10),t2 varchar(10),t3 varchar(10) ,t4 varchar(10))engine=innodb charset = latin1 row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.08 sec)

mysql> insert into mytest values('a','bb','bb','ccc');
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

mysql> insert into mytest values('a','ee','ee','fff');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

mysql> insert into mytest values('a',NULL,NULL,'fff');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

测试数据准备完之后，执行shell命令：

root@zhoujy:/usr/local/mysql/test# hexdump -C -v mytest.ibd > /home/zhoujy/mytest.txt

打开mytest.txt文件找到supremum这一行：

0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  03 02 02 01 00 00 00 10  |supremum........|   ----------->一行，16字节
0000c080  00 25 00 00 00 03 b9 00  00 00 00 02 49 01 82 00  |.%..........I...|
0000c090  00 01 4a 01 10 61 62 62  62 62 63 63 63 03 02 02  |..J..abbbbccc...|
0000c0a0  01 00 00 00 18 00 23 00  00 00 03 b9 01 00 00 00  |......#.........|
0000c0b0  02 49 02 83 00 00 01 4b  01 10 61 65 65 65 65 66  |.I.....K..aeeeef|
0000c0c0  66 66 03 01 06 00 00 20  ff a6 00 00 00 03 b9 02  |ff..... ........|
0000c0d0  00 00 00 02 49 03 84 00  00 01 4c 01 10 61 66 66  |....I.....L..aff|
0000c0e0  66 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |f...............|

解释：
第一行数据:
03 02 02 01 /*变长字段*/ ---- 表中4个字段类型为varchar，并且没有NULL数据，而且每个字段君小于255。
00 /*NULL标志位，第一行没有null的数据*/
00 00 10 00 25 /*记录头信息,固定5个字节*/
00 00 00 03 b9 00 /*RowID,固定6个字节,表没有主键*/
00 00 00 02 49 01 /*事务ID,固定6个字节*/
82 00 00 01 4a 01 10 /*回滚指针,固定7个字节*/
61 62 62 62 62 63 63 63 /*列的数据*/
第二行数据和第一行数据一样（颜色匹配）。
第三行数据（有NULL值）和第一行的解释的颜色对应起来比较差别:

03 02 02 01  VS  03 01   ----------当值为NULL时，变长字段列表不会占用存储空间。

61 62 62  62 62 63 63 63 VS 61 66 66 66  --------- NULL值没有存储，不占空间

结论：当值为NULL时，变长字段列表不会占用存储空间。NULL值没有存储，不占空间，但是需要一个标志位（一行一个）。

二:字段全NOT NULL

mysql> create table mytest(t1 varchar(10) NOT NULL,t2 varchar(10) NOT NULL,t3 varchar(10) NOT NULL,t4 varchar(10) NOT NULL)engine=innodb charset = latin1 row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.03 sec)

mysql> insert into mytest values('a','bb','bb','ccc');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

mysql> insert into mytest values('a','ee','ee','fff');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

mysql> insert into mytest values('a',NULL,NULL,'fff');
ERROR 1048 (23000): Column 't2' cannot be null

步骤和上面一样，得到的ibd的结果是：

0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  03 02 02 01 00 00 10 00  |supremum........|
0000c080  24 00 00 00 03 b9 03 00  00 00 02 49 07 87 00 00  |$..........I....|
0000c090  01 4f 01 10 61 62 62 62  62 63 63 63 03 02 02 01  |.O..abbbbccc....|
0000c0a0  00 00 18 ff cb 00 00 00  03 b9 04 00 00 00 02 49  |...............I|
0000c0b0  08 88 00 00 01 50 01 10  61 65 65 65 65 66 66 66  |.....P..aeeeefff|

和上面比较,发现少了NULL的标志位信息。
结论: NULL值会有额外的空间来存储，即每行1字节的大小。对于相同数据的表，字段中有NULL值的表比NOT NULL的大。

三:1个NULL，和1个''的数据:

mysql> create table mytest(t1 varchar(10) NOT NULL,t2 varchar(10) NOT NULL DEFAULT '',t3 varchar(10) NOT NULL ,t4 varchar(10))engine=innodb charset = latin1 row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)
mysql> insert into mytest(t1,t2) values('A','BB');
Query OK, 1 row affected, 1 warning (0.01 sec)

步骤和上面一样，得到的ibd的结果是：

0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  00 02 01 01 00 00 10 ff  |supremum........|
0000c080  ef 00 00 00 43 b9 03 00  00 00 02 4a 15 90 00 00  |....C......J....|
0000c090  01 c2 01 10 41 42 42 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |....ABB.........|

和上面2个区别主要在于变长列表和列数据这里。

结论：列数据信息里表明了 NULL数据和''数据都不占用任何空间，对于变长字段列表的信息，和一对比得出：‘’数据虽然不需要占用任何存储空间，但是在变长字段列表里面还是需要占用一个字节<毕竟还是一个‘’值>，NULL值不需要占用”，只是NULL会有额外的一个标志位，所以能有个优化的说法：“数据库表中能设置NOT NULL的就尽量设置为NOT NULL，除非确实需要NULL值得。” 在此得到了证明。

上面的测试都是针对VARCHAR的变长类型，那对于CHAR呢？

CHAR 测试：

root@localhost : test 10:33:35>create table mytest(t1 char(10),t2 char(10),t3 char(10) ,t4 char(10))engine=innodb charset = latin1 row_format=compact;Query OK, 0 rows affected (0.16 sec)

root@localhost : test 10:33:59>insert into mytest values('a','bb','bb','ccc');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

root@localhost : test 10:34:09>insert into mytest values('a','ee','ee','fff');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

root@localhost : test 10:34:19>insert into mytest values('a',NULL,NULL,'fff');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

打开ibd生成的文件：

0000c060  02 00 1b 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 04 00 0b 00 00  |...infimum......|
0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  00 00 00 10 00 41 00 00  |supremum.....A..|
0000c080  00 0a f5 00 00 00 00 81  2d 07 80 00 00 00 32 01  |........-.....2.|
0000c090  10 61 20 20 20 20 20 20  20 20 20 62 62 20 20 20  |.a         bb   |
0000c0a0  20 20 20 20 20 62 62 20  20 20 20 20 20 20 20 63  |     bb        c|
0000c0b0  63 63 20 20 20 20 20 20  20 00 00 00 18 00 41 00  |cc       .....A.|
0000c0c0  00 00 0a f5 01 00 00 00  81 2d 08 80 00 00 00 32  |.........-.....2|
0000c0d0  01 10 61 20 20 20 20 20  20 20 20 20 65 65 20 20  |..a         ee  |
0000c0e0  20 20 20 20 20 20 65 65  20 20 20 20 20 20 20 20  |      ee        |
0000c0f0  66 66 66 20 20 20 20 20  20 20 06 00 00 20 ff 70  |fff       ... .p|
0000c100  00 00 00 0a f5 02 00 00  00 81 2d 09 80 00 00 00  |..........-.....|
0000c110  32 01 10 61 20 20 20 20  20 20 20 20 20 66 66 66  |2..a         fff|
0000c120  20 20 20 20 20 20 20 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |       .........|

和一的varchar比较发现：少了变长字段列表，但是对于char来讲，需要固定长度来存储的，存不到固定长度，也会被填充满。如：20；并且NULL值也不需要占用存储空间。

混合（varchar,char）:

root@localhost : test 11:21:48>create table mytest(t1 int,t2 char(10),t3 varchar(10) ,t4 char(10))engine=innodb charset = latin1 row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.17 sec)

root@localhost : test 11:21:50>insert into mytest values(1,'a','b','c');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

root@localhost : test 11:22:06>insert into mytest values(11,'aa','bb','cc');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

从上面的表结构中看出：
1，变长字段列表长度：1
2，NULL标志位：1
3，记录头信息：5
4，RowID：6
5，事务ID：6
6，回滚指针：7

idb的信息：

0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  01 00 00 00 10 00 33 00  |supremum......3.| 
0000c080  00 00 0a f5 07 00 00 00  81 2d 1a 80 00 00 00 32  |.........-.....2|
0000c090  01 10 80 00 00 01 61 20  20 20 20 20 20 20 20 20  |......a         |
0000c0a0  62 63 20 20 20 20 20 20  20 20 20 02 00 00 00 18  |bc         .....|
0000c0b0  ff be 00 00 00 0a f5 08  00 00 00 81 2d 1b 80 00  |............-...|
0000c0c0  00 00 32 01 10 80 00 00  0b 61 61 20 20 20 20 20  |..2......aa     |
0000c0d0  20 20 20 62 62 63 63 20  20 20 20 20 20 20 20 00  |   bbcc        .|

从上信息得出和之前预料的一样：因为表中只有一个varchar字段，所以，变长列表长度就只有：01
特别注意的是：各个列数据存储的信息：t1字段为int 类型，占用4个字节的大小。第一行：80 00 00 01 就是表示 1 数字；第二行：80 00 00 0b 表示了11的数字。[select hex(11) == B ]，其他的和上面的例子一样。

上面都是latin1单字节字符集的说明，那对于多字节字符集的情况怎么样？

root@localhost : test 11:52:10>create table mytest(id int auto_increment,t2 varchar(10),t3 varchar(10) ,t4 char(10),primary key(id))engine=innodb charset = utf8 row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.17 sec)

root@localhost : test 11:52:11>insert into mytest(t2,t3,t4) values('bb','bb','ccc');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

root@localhost : test 11:55:34>insert into mytest(t2,t3,t4) values('我们','他们','我们的');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

ibd信息如下：

0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  0a 02 02 00 00 00 10 00  |supremum........|
0000c080  28 80 00 00 01 00 00 00  81 2d 27 80 00 00 00 32  |(........-'....2|
0000c090  01 10 62 62 62 62 63 63  63 20 20 20 20 20 20 20  |..bbbbccc       |
0000c0a0  0a 06 06 00 00 00 18 ff  c7 80 00 00 02 00 00 00  |................|
0000c0b0  81 2d 28 80 00 00 00 32  01 10 e6 88 91 e4 bb ac  |.-(....2........|
0000c0c0  e4 bb 96 e4 bb ac e6 88  91 e4 bb ac e7 9a 84 20  |............... |

因为表有了主键，所以ROWID（6字节）不见了。
特别注意的是：变长字段列表是3？表里面的varchar类型的列只有2个啊。经测试得出：在多字节字符集的条件下，char类型被当成可变长度的类型来处理，他们的行存储基本没有区别，所以这个就出现变长列表是3了，因为是utf8字符集，占用三个字节。所以一个汉字均占用了一个页中3个字节的空间(”我们“ ：e6 88 91 e4 bb ac)。
数据列的信息：
id列的1值，应该是 80 00 00 01，为什么这个显示00 32 01 10，而且所有的id都是00 32 01 10。测试发现，id为自增主键的时候，id的4个字节长度都是以00 32 01 10 表示。否则和前面一个例子里说的，用select HEX（X）表示。

总结2:
上面的测试都是基于COMPACT存储格式的，不管是varchar还是char，NULL值是不需要占用存储空间的；特别需要注意的是Redumdant的记录头信息需要6个固定字节，而NULL值对于varchar来说是不需要占用存储空间，对于char来说将会占用最大值的字节数；在多字节字符集的条件下，CHAR和VARCHAR的行存储基本是没有区别的。