Mysql的存储引擎和索引

Posted 2021-01-19 Davygeek

可以说数据库必须有索引，没有索引则检索过程变成了顺序查找，O(n)的时间复杂度几乎是不能忍受的。我们非常容易想象出一个只有单关键字组成的表如何使用B+树进行索引，只要将关键字存储到树的节点即可。当数据库一条记录里包含多个字段时，一棵B+树就只能存储主键，如果检索的是非主键字段，则主键索引失去作用，又变成顺序查找了。这时应该在第二个要检索的列上建立第二套索引。  这个索引由独立的B+树来组织。有两种常见的方法可以解决多个B+树访问同一套表数据的问题，一种叫做聚簇索引（clustered index ），一种叫做非聚簇索引（secondary index）。这两个名字虽然都叫做索引，但这并不是一种单独的索引类型，而是一种数据存储方式。对于聚簇索引存储来说，行数据和主键B+树存储在一起，辅助键B+树只存储辅助键和主键，主键和非主键B+树几乎是两种类型的树。对于非聚簇索引存储来说，主键B+树在叶子节点存储指向真正数据行的指针，而非主键。

　　InnoDB使用的是聚簇索引，将主键组织到一棵B+树中，而行数据就储存在叶子节点上，若使用"where id = 14"这样的条件查找主键，则按照B+树的检索算法即可查找到对应的叶节点，之后获得行数据。若对Name列进行条件搜索，则需要两个步骤：第一步在辅助索引B+树中检索Name，到达其叶子节点获取对应的主键。第二步使用主键在主索引B+树种再执行一次B+树检索操作，最终到达叶子节点即可获取整行数据。

　　MyISM使用的是非聚簇索引，非聚簇索引的两棵B+树看上去没什么不同，节点的结构完全一致只是存储的内容不同而已，主键索引B+树的节点存储了主键，辅助键索引B+树存储了辅助键。表数据存储在独立的地方，这两颗B+树的叶子节点都使用一个地址指向真正的表数据，对于表数据来说，这两个键没有任何差别。由于索引树是独立的，通过辅助键检索无需访问主键的索引树。

　　为了更形象说明这两种索引的区别，我们假想一个表如下图存储了4行数据。其中Id作为主索引，Name作为辅助索引。图示清晰的显示了聚簇索引和非聚簇索引的差异。

　　我们重点关注聚簇索引，看上去聚簇索引的效率明显要低于非聚簇索引，因为每次使用辅助索引检索都要经过两次B+树查找，这不是多此一举吗？聚簇索引的优势在哪？

　　1 由于行数据和叶子节点存储在一起，这样主键和行数据是一起被载入内存的，找到叶子节点就可以立刻将行数据返回了，如果按照主键Id来组织数据，获得数据更快。

　　2 辅助索引使用主键作为"指针" 而不是使用地址值作为指针的好处是，减少了当出现行移动或者数据页分裂时辅助索引的维护工作，使用主键值当作指针会让辅助索引占用更多的空间，换来的好处是InnoDB在移动行时无须更新辅助索引中的这个"指针"。也就是说行的位置（实现中通过16K的Page来定位，后面会涉及）会随着数据库里数据的修改而发生变化（前面的B+树节点分裂以及Page的分裂），使用聚簇索引就可以保证不管这个主键B+树的节点如何变化，辅助索引树都不受影响。

　　3 Page结构

　　如果说前面的内容偏向于解释原理，那后面就开始涉及具体实现了。

　　理解InnoDB的实现不得不提Page结构，Page是整个InnoDB存储的最基本构件，也是InnoDB磁盘管理的最小单位，与数据库相关的所有内容都存储在这种Page结构里。Page分为几种类型，常见的页类型有数据页（B-tree Node）Undo页（Undo Log Page）系统页（System Page） 事务数据页（Transaction System Page）等。单个Page的大小是16K（编译宏UNIV_PAGE_SIZE控制），每个Page使用一个32位的int值来唯一标识，这也正好对应InnoDB最大64TB的存储容量（16Kib * 2^32 = 64Tib）。一个Page的基本结构如下图所示：

　　每个Page都有通用的头和尾，但是中部的内容根据Page的类型不同而发生变化。Page的头部里有我们关心的一些数据，下图把Page的头部详细信息显示出来：

 

　　我们重点关注和数据组织结构相关的字段：Page的头部保存了两个指针，分别指向前一个Page和后一个Page，头部还有Page的类型信息和用来唯一标识Page的编号。根据这两个指针我们很容易想象出Page链接起来就是一个双向链表的结构。

　　再看看Page的主体内容，我们主要关注行数据和索引的存储，他们都位于Page的User Records部分，User Records占据Page的大部分空间，User Records由一条一条的Record组成，每条记录代表索引树上的一个节点（非叶子节点和叶子节点）。在一个Page内部，单链表的头尾由固定内容的两条记录来表示，字符串形式的"Infimum"代表开头，"Supremum"代表结尾。这两个用来代表开头结尾的Record存储在System Records的段里，这个System Records和User Records是两个平行的段。InnoDB存在4种不同的Record，它们分别是1主键索引树非叶节点 2主键索引树叶子节点 3辅助键索引树非叶节点 4辅助键索引树叶子节点。这4种节点的Record格式有一些差异，但是它们都存储着Next指针指向下一个Record。后续我们会详细介绍这4种节点，现在只需要把Record当成一个存储了数据同时含有Next指针的单链表节点即可。

　　User Record在Page内以单链表的形式存在，最初数据是按照插入的先后顺序排列的，但是随着新数据的插入和旧数据的删除，数据物理顺序会变得混乱，但他们依然保持着逻辑上的先后顺序。

　　把User Record的组织形式和若干Page组合起来，就看到了稍微完整的形式。

　　现在看下如何定位一个Record：

　　1 通过根节点开始遍历一个索引的B+树，通过各层非叶子节点最终到达一个Page，这个Page里存放的都是叶子节点。

　　2 在Page内从"Infimum"节点开始遍历单链表（这种遍历往往会被优化），如果找到该键则成功返回。如果记录到达了"supremum"，说明当前Page里没有合适的键，这时要借助Page的Next Page指针，跳转到下一个Page继续从"Infimum"开始逐个查找。

　　详细看下不同类型的Record里到底存储了什么数据，根据B+树节点的不同，User Record可以被分成四种格式，下图种按照颜色予以区分。

　　1 主索引树非叶节点（绿色）

　　1 子节点存储的主键里最小的值（Min Cluster Key on Child），这是B+树必须的，作用是在一个Page里定位到具体的记录的位置。

　　2 最小的值所在的Page的编号（Child Page Number），作用是定位Record。

　　2 主索引树叶子节点（黄色）

　　1 主键（Cluster Key Fields），B+树必须的，也是数据行的一部分

　　2 除去主键以外的所有列（Non-Key Fields），这是数据行的除去主键的其他所有列的集合。

　　这里的1和2两部分加起来就是一个完整的数据行。

　　3 辅助索引树非叶节点非（蓝色）

　　1 子节点里存储的辅助键值里的最小的值（Min Secondary-Key on Child），这是B+树必须的，作用是在一个Page里定位到具体的记录的位置。

　　2 主键值（Cluster Key Fields），非叶子节点为什么要存储主键呢？因为辅助索引是可以不唯一的，但是B+树要求键的值必须唯一，所以这里把辅助键的值和主键的值合并起来作为在B+树中的真正键值，保证了唯一性。但是这也导致在辅助索引B+树中非叶节点反而比叶子节点多了4个字节。（即下图中蓝色节点反而比红色多了4字节）

　　3 最小的值所在的Page的编号（Child Page Number），作用是定位Record。

　　4 辅助索引树叶子节点（红色）

　　1 辅助索引键值（Secondary Key Fields），这是B+树必须的。

　　2 主键值（Cluster Key Fields），用来在主索引树里再做一次B+树检索来找到整条记录。

　　下面是本篇最重要的部分了，结合B+树的结构和前面介绍的4种Record的内容，我们终于可以画出一幅全景图。由于辅助索引的B+树与主键索引有相似的结构，这里只画出了主键索引树的结构图，只包含了"主键非叶节点"和"主键叶子节点"两种节点，也就是上图的的绿色和黄色的部分。

　　把上图还原成下面这个更简洁的树形示意图，这就是B+树的一部分。注意Page和B+树节点之间并没有一一对应的关系，Page只是作为一个Record的保存容器，它存在的目的是便于对磁盘空间进行批量管理，上图中的编号为47的Page在树形结构上就被拆分成了两个独立节点。

　　至此本篇就算结束了，本篇只是对InnoDB索引相关的数据结构和实现进行了一些梳理总结，并未涉及到mysql的实战经验。这主要是基于几点原因：

　　1 原理是基石，只有充分了解InnoDB索引的工作方式，我们才有能力高效的使用好它。

　　2 原理性知识特别适合使用图示，我个人非常喜欢这种表达方式。

　　3 关于InnoDB优化，在《高性能Mysql》里有更加全面的介绍，对优化Mysql感兴趣的同学完全可以自己获取相关知识，我自己的积累还未达到能分享这些内容的地步。

　　另：对InnoDB实现有更多兴趣的同学可以看看Jeremy Cole的博客（参考文献三篇文章的来源），这位老兄曾先后在Mysql，Yahoo，Twitter，Google从事数据库相关工作，他的文章非常棒！