Innodb索引页文件结构

InnoDB 索引页文件结构：深入理解数据存储的基本单元

InnoDB 存储引擎中，页（Page）是数据存储的基本单位（默认大小 16KB）。所有索引和数据都以页为单位组织，查询时需先定位到记录所在的页，再从页内查找具体记录。索引页的结构设计直接影响数据存取效率，其内部由 7 个部分组成，共同实现数据的有序存储、快速查找和完整性校验。

索引页的整体结构

InnoDB 索引页（B + 树节点）的结构可分为 7 个部分，按顺序依次为：

存储结构

各部分的大小和核心作用如下表：

结构部分	固定大小	核心作用
File Header	38 字节	记录页的基本信息（如页编号、前后页指针、页类型），用于页的定位和关联。
Page Header	56 字节	记录页的状态信息（如记录数、索引层级、插入方向），用于页内空间和状态管理。
Infimum & Supremum Record	固定大小	虚拟记录，限定页内记录的边界（最小值和最大值）。
User Records	动态变化	实际存储用户数据的记录，随插入 / 删除操作动态变化。
Free Space	动态变化	页内未使用的空闲空间，以链表形式管理，供新记录插入复用。
Page Directory	动态变化	页目录（类似 “索引的索引”），存储记录的相对位置，加速页内记录查找。
File Trailer	8 字节	校验页的完整性，确保数据从内存刷写到磁盘时未损坏。

各部分详细解析

File Header（文件头）：页的 “身份证”

File Header 是页的元数据区，固定 38 字节，包含 8 个关键字段，用于标识页的身份、关联关系和类型：

字段名	大小	含义
FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM	4 字节	页的校验和（checksum），用于完整性校验。
FIL_PAGE_OFFSET	4 字节	页在表空间中的偏移量（Page Number），唯一标识页的位置。
FIL_PAGE_PREV	4 字节	上一页的偏移量（指针），实现页的双向链表（B + 树叶子节点的有序性依赖此）。
FIL_PAGE_NEXT	4 字节	下一页的偏移量（指针），与 `FIL_PAGE_PREV` 共同构成双向链表。
FIL_PAGE_TYPE	2 字节	页的类型（核心字段），决定页的解析方式：
		- `0x45BF`（FIL_PAGE_INDEX）：B + 树叶子节点（存储数据和索引）。
		- `0x0002`（FIL_PAGE_UNDO_LOG）：Undo 日志页。
		- `0x0007`（FIL_PAGE_TYPE_TRX_SYS）：事务系统数据页。
FIL_PAGE_ARCH_LOG_NO_OR_SPACE_ID	4 字节	表空间 ID，标识页所属的表空间（独立表空间或系统表空间）。
FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN	8 字节	仅系统表空间有效，记录文件刷新到的 LSN（日志序列号）。
FIL_PAGE_LSN	8 字节	页最后一次修改的 LSN，用于崩溃恢复和一致性校验。

核心作用：通过 FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 将页组成双向链表（B + 树叶子节点的物理有序性），通过 FIL_PAGE_TYPE 区分页的功能（如索引页、日志页）。

Page Header 固定 56 字节，包含 14 个字段，记录页内数据的状态和管理信息，辅助页内空间和插入顺序的管理：

字段名	大小	含义
PAGE_N_DIR_SLOTS	2 字节	页目录（Page Directory）中的槽（slot）数量（即目录项数量）。
PAGE_HEAP_TOP	2 字节	页内堆中第一个记录的指针（记录以堆结构存储）。
PAGE_N_HEAP	2 字节	堆中的总记录数（含虚拟记录 Infimum/Supremum）。
PAGE_FREE	2 字节	指向空闲空间链表的首指针（删除的记录空间会加入此链表）。
PAGE_GARBAGE	2 字节	已删除记录的总字节数（delete flag=1 的记录）。
PAGE_LAST_INSERT	2 字节	最后一次插入记录的位置（指针）。
PAGE_DIRECTION	2 字节	最后插入的方向（`PAGE_LEFT` 向左，`PAGE_RIGHT` 向右），用于优化连续插入。
PAGE_N_DIRECTION	2 字节	同一方向连续插入的记录数（如连续向右插入 5 条，值为 5）。
PAGE_N_RECS	2 字节	页内实际用户记录数（不含虚拟记录）。
PAGE_MAX_TRX_ID	8 字节	修改过当前页的最大事务 ID（用于 MVCC 可见性判断）。
PAGE_LEVEL	2 字节	页在 B + 树中的层级（0 表示叶子节点，非叶子节点层级≥1）。
PAGE_INDEX_ID	8 字节	索引 ID，标识页所属的索引。
PAGE_BTR_SEG_LEAF	10 字节	B + 树叶子节点段的头部信息（段管理相关）。
PAGE_BTR_SEGTOP	10 字节	B + 树非叶子节点段的头部信息。

核心作用：通过 PAGE_N_RECS 了解页内记录数，通过 PAGE_DIRECTION 和 PAGE_N_DIRECTION 优化连续插入（如自增主键的顺序插入），通过 PAGE_FREE 管理空闲空间复用。

Infimum 和 Supremum Record：页内记录的 “边界哨兵”

每个数据页中存在两个虚拟记录（不存储实际数据），用于定义页内记录的范围：

Infimum Record：页内最小的记录（主键值小于任何实际记录）。
Supremum Record：页内最大的记录（主键值大于任何实际记录）。

这两个记录在页创建时生成，固定存在，作为页内记录排序的边界。例如，页内实际记录的主键值均介于 Infimum 和 Supremum 之间。

User Records：实际数据的 “存储区”

User Records 是页内存储用户数据记录的区域，大小随数据插入 / 删除动态变化。每条记录包含：

记录头信息（如删除标记 delete_flag、next 指针等）。
实际字段值（如主键、其他列值）。

记录在页内以单向链表形式连接（通过记录头的 next 指针），链表顺序与主键顺序一致（保证逻辑有序）。

Free Space：页内的 “空闲缓冲区”

Free Space 是页内未使用的空闲空间，以链表形式管理。当记录被删除时，其占用的空间会被加入 Free Space 链表，供新记录插入时复用。

若插入新记录时 Free Space 足够，直接从空闲空间分配；
若空间不足，则触发页分裂（拆分当前页为两个页，避免溢出）。

Page Directory：页内记录的 “目录索引”

Page Directory（页目录）是页内记录的 “稀疏索引”，用于快速定位记录，避免全表扫描。其结构和工作原理如下：

槽（Slot）的形成：
页目录由多个 “槽” 组成，每个槽对应页内一组连续记录的最大主键记录的偏移量（相对位置）。例如，100 条记录可能被分为 10 个槽，每个槽对应 10 条记录的最大者。
查找过程：
当查询某条记录时，先通过二分法在 Page Directory 中找到目标记录所在的槽，再遍历该槽对应的记录链表，最终定位到目标记录（将页内查找复杂度从 O (n) 降至 O (log n)）。

核心作用：作为页内记录的 “目录”，加速记录查找，是 InnoDB 页内高效查询的关键。

File Trailer：页的 “完整性校验码”

File Trailer 固定 8 字节，仅包含与完整性校验相关的信息：

前 4 字节：页的校验和（与 File Header 的 FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM 一致）。
后 4 字节：页的 LSN 后 4 字节（与 File Header 的 FIL_PAGE_LSN 后 4 字节一致）。

校验逻辑：当页从内存刷写到磁盘后，通过对比 File Header 和 File Trailer 的校验和与 LSN，确保页数据未因 IO 错误损坏。

页分裂：当页满时的 “扩容机制”

当向已满的页插入新记录时，InnoDB 会触发页分裂：

创建一个新页，将当前页的部分记录（通常一半）迁移到新页；
更新原页和新页的 FIL_PAGE_PREV 和 FIL_PAGE_NEXT 指针，维持双向链表；
新记录插入到对应的页中。

为何自增主键可减少页分裂？
自增主键的记录插入始终是 “顺序追加”（从 Infimum 向 Supremum 方向），仅当页满时触发一次分裂；而无序主键（如 UUID）的插入可能随机分布，导致频繁页分裂（每次插入都可能需要调整页结构），增加 IO 开销。

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