MySQL的InnoDB索引原理詳解

　摘要：

　　本篇介紹下Mysql的InnoDB索引相關知識，從各種樹到索引原理到儲存的細節。

　　InnoDB是Mysql的預設儲存引擎(Mysql5.5.5之前是MyISAM，文檔)。本著高效學習的目的，本篇以介紹InnoDB為主，少量涉及MyISAM作為對比。

　　這篇文章是我在學習過程中總結完成的，內容主要來自書本和博客(參考文獻會給出)，過程中加入了一些自己的理解，描述不准確的地方煩請指出。

　　1 各種樹形結構

　　本來不打算從二元搜尋樹開始，因為網路上已經有太多相關文章，但是考慮到清晰的圖示對理解問題有很大幫助，也為了確保文章完整性，最後還是加上了這部分。

　　先看看幾種樹形結構：

　　1 搜尋二元樹：每個節點有兩個子節點，資料量的增大必然導致高度的快速增加，顯然這個不適合作為大量資料儲存的基礎結構。

　　2 B樹：一棵m階B樹是一棵平衡的m路搜尋樹。最重要的性質是每個非根節點所包含的關鍵字個數j 滿足：┌m/2┐ - 1 <= j <= m - 1；一個節點的子節點數量會比關鍵字個數多1，這樣關鍵字就變成子節點的分割標誌了。一般會在圖示中把關鍵字畫到子節點中間，非常形象，也容易和後面的B+樹區分。由於資料同時存在於葉子節點和非葉子結點中，無法簡單完成依序遍歷B樹中的關鍵字，必須用中序遍歷的方法。

　　3 B+樹：一棵m階B樹是一棵平衡的m路搜尋樹。最重要的性質是每個非根節點所包含的關鍵字個數 j 滿足：┌m/2┐ - 1 <= j <= m；子樹的個數最多可以與關鍵字一樣多。非葉節點儲存的是子樹裡最小的關鍵字。同時資料節點只存在於葉子節點中，且葉子節點間增加了橫向的指針，這樣順序遍歷所有資料將變得非常容易。

　　4 B*樹：一棵m階B樹是一棵平衡的m路搜尋樹。最重要的兩個性質是1每個非根節點所包含的關鍵字個數 j 滿足：┌m2/3┐ - 1 <= j <= m；2非葉節點間添加了橫向指針。

#　　B/B+/B*三種樹有類似的操作，例如擷取/插入/刪除節點。這裡只重點關注插入節點的情況，且只分析他們在當前節點已滿情況下的插入操作，因為這個動作稍微複雜且能充分體現幾種樹的差異。與之比較的是檢索節點比較容易實現，而刪除節點只要完成與插入相反的過程即可（在實際應用中刪除並不是插入的完全逆操作，往往只刪除資料而保留下空間為後續使用）。

　　先看B樹的分裂，下圖的紅色值即為每次新插入的節點。每當一個節點滿後，就需要發生分裂（分裂是一個遞歸過程，參考下面7的插入導致了兩層分裂），由於B樹的非葉子節點同樣保存了鍵值，所以已滿節點分裂後的值將分佈在三個地方：1原節點，2原節點的父節點，3原節點的新兄弟節點（參考5，7的插入過程）。分裂有可能導致樹的高度增加（參考3，7的插入過程），也可能不影響樹的高度（參考5，6的插入過程）。

　　B+樹的分割：當一個結點滿時，分配一個新的結點，並將原結點中1/2的資料複製到新結點，最後在父結點中增加新結點的指標；B+樹的分裂只影響原結點和父結點，而不會影響兄弟結點，所以它不需要指向兄弟節點的指標。

　　B*樹的分割：當一個結點滿時，如果它的下一個兄弟結點未滿，那麼將一部分資料移到兄弟結點中，再在原結點插入關鍵字，最後修改父結點中兄弟結點的關鍵字（因為兄弟結點的關鍵字範圍改變了）。如果兄弟也滿了，則在原結點與兄弟結點之間增加新結點，並各複製1/3的數據到新結點，最後在父結點增加新結點的指針。可以看到B*樹的分裂非常巧妙，因為B*樹要確保分裂後的節點還要2/3滿，如果採用B+樹的方法，只是簡單的將已滿的節點一分為二，會導致每個節點只有1/2滿，這不符合B*樹的要求了。所以B*樹採取的策略是在本節點滿後，繼續插入兄弟節點（這也是為什麼B*樹需要在非葉子節點加一個兄弟間的鍊錶），直到把兄弟節點也塞滿，然後拉上兄弟節點一起湊份子，自己和兄弟節點各出資1/3成立新節點，這樣的結果是3個節點剛好是2/3滿，達到B*樹的要求，皆大歡喜。

　　B+樹適合作為資料庫的基礎結構，完全是因為電腦的記憶體-機械硬碟兩層儲存結構。記憶體可以完成快速的隨機存取（隨機存取即給出任一個位址，要求傳回這個位址儲存的資料）但是容量較小。而硬碟的隨機存取要經過機械動作（1磁頭移動 2碟片轉動），存取效率比記憶體低幾個數量級，但是硬碟容量較大。典型的資料庫容量大大超過可用記憶體大小，這決定了在B+樹中檢索一條資料很可能要藉助幾次磁碟IO操作來完成。如下圖所示：通常向下讀取一個節點的動作可能會是一次磁碟IO操作，不過非葉節點通常會在初始階段載入記憶體以加快存取速度。同時為提高在節點間橫向遍歷速度，真實資料庫中可能會將圖中藍色的CPU運算/記憶體讀取最佳化成二元搜尋樹（InnoDB中的page directory機制）。

　　真實資料庫中的B+樹應該是非常扁平的，可以透過向表中順序插入足夠資料的方式來驗證InnoDB中的B+樹到底有多扁平。我們透過如下圖的CREATE語句建立一個只有簡單欄位的測試表，然後不斷新增資料來填入這個表。透過下圖的統計資料（資料來源見參考文獻1）可以分析出幾個直觀的結論，這幾個結論宏觀的展現了資料庫裡B+樹的尺度。

　　1 每個葉子節點儲存了468行數據，每個非葉子節點儲存了大約1200個鍵值，這是一棵平衡的1200路搜尋樹！

　　2 對於一個22.1G容量的表，也只需要高度為3的B+樹就能儲存了，這個容量大概能滿足很多應用的需要了。如果把高度增加到4，則B+樹的儲存容量立刻增加到25.9T之巨！

　　3 對於一個22.1G容量的表，B+樹的高度是3，如果要把非葉節點全部載入到記憶體也只需要少於18.8M的記憶體（如何得出的這個結論？因為對於高度為2的樹，1203個葉子節點也只需要18.8M空間，而22.1G從良表的高度是3，非葉節點1204個。節點儲存了行資料而非葉節點只有鍵和少量資料。

　　2 Mysql的儲存引擎和索引

　　可以說資料庫必須有索引，沒有索引則檢索過程變成了順序查找，O(n)的時間複雜度幾乎是不能忍受的。我們非常容易想像出一個只有單一關鍵字組成的表格如何使用B+樹進行索引，只要將關鍵字儲存到樹的節點即可。當資料庫一筆記錄包含多個字段時，一棵B+樹就只能儲存主鍵，如果檢索的是非主鍵字段，則主鍵索引失去作用，又變成順序查找了。這時應該在第二個要檢索的欄位上建立第二套索引。  這個索引由獨立的B+樹來組織。有兩種常見的方法可以解決多個B+樹存取相同套表資料的問題，一種稱為叢集索引（clustered index ），一種稱為非聚集索引（secondary index）。這兩個名字雖然都叫做索引，但這不是一種單獨的索引類型，而是一種資料儲存方式。對於叢集索引儲存來說，行資料和主鍵B+樹儲存在一起，輔助鍵B+樹只儲存輔助鍵和主鍵，主鍵和非主鍵B+樹幾乎是兩種類型的樹。對於非聚集索引儲存來說，主鍵B+樹在葉子節點儲存指向真正資料行的指針，而非主鍵。

　　InnoDB使用的是聚集索引，將主鍵組織到一棵B+樹中，而行資料就儲存在葉子節點上，若使用"where id = 14"這樣的條件查找主鍵，則按照B+樹的檢索演算法即可找出對應的葉節點，之後再取得行資料。若對Name列進行條件搜索，則需要兩個步驟：第一步在輔助索引B+樹中檢索Name，到達其葉子節點取得對應的主鍵。第二步驟使用主鍵在主索引B+樹種再執行一次B+樹檢索操作，最後到達葉子節點即可取得整行資料。

　　MyISM使用的是非叢集索引，非叢集索引的兩棵B+樹看上去沒什麼不同，節點的結構完全一致只是儲存的內容不同而已，主鍵索引B+樹的節點儲存了主鍵，輔助鍵索引B+樹儲存了輔助鍵。表數據儲存在獨立的地方，這兩顆B+樹的葉子節點都使用一個位址指向真正的表數據，對於表數據來說，這兩個鍵沒有任何差異。由於索引樹是獨立的，透過輔助鍵檢索無需存取主鍵的索引樹。

　　為了更形象說明這兩種索引的區別，我們假想一個表格如下圖儲存了4行資料。其中Id作為主索引，Name作為輔助索引。圖示清晰的顯示了聚集索引和非聚集索引的差異。

　　我們專注於叢集索引，看上去叢集索引的效率明顯要低於非叢集索引，因為每次使用輔助索引檢索都要經過兩次B+樹查找，這不是多此一舉嗎？聚集索引的優點在哪裡？

　　1 由於行數據和葉子節點存儲在一起，這樣主鍵和行數據是一起被載入內存的，找到葉子節點就可以立刻將行數據返回了，如果按照主鍵Id來組織數據，獲得數據更快。

　　2 輔助索引使用主鍵作為"指針" 而不是使用地址值作為指針的好處是，減少了當出現行移動或數據頁分裂時輔助索引的維護工作，使用主鍵值作為指針會讓輔助索引佔用更多的空間，換來的好處是InnoDB在移動行時無須更新輔助索引中的這個"指標"。也就是說行的位置（實作中透過16K的Page來定位，後面會涉及）會隨著資料庫裡資料的修改而改變（前面的B+樹節點分裂以及Page的分裂），使用叢集索引就可以保證不管這個主鍵B+樹的節點如何變化，輔助索引樹都不受影響。

　　3 Page結構

　　如果說前面的內容偏向於解釋原理，那後面就開始涉及具體實現了。

　　理解InnoDB的實作不得不提Page結構，Page是整個InnoDB儲存最基本的構件，也是InnoDB磁碟管理的最小單位，與資料庫相關的所有內容都儲存在這種Page結構裡。 Page分為幾種類型，常見的頁類型有資料頁（B-tree Node）Undo頁（Undo Log Page）系統頁（System Page） 交易資料頁（Transaction System Page）等。單一Page的大小是16K（編譯宏UNIV_PAGE_SIZE控制），每個Page使用一個32位元的int值來唯一標識，這也剛好對應InnoDB最大64TB的儲存容量（16Kib * 2^32 = 64Tib）。一個Page的基本架構如下圖所示：

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　　每個Page都有通用的頭和尾，但是中部的內容根據Page的類型不同而改變。 Page的頭部有我們關心的一些數據，下圖把Page的頭部詳細資料顯示出來：

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　　我們重點關注和數據組織結構相關的欄位：Page的頭部保存了兩個指針，分別指向前一個Page和後一個Page，頭部還有Page的類型資訊和用來唯一標識Page的編號。根據這兩個指標我們很容易想像出Page連結起來就是一個雙向鍊錶的結構。

　　再看看Page的主體內容，我們主要關注行資料和索引的存儲，他們都位於Page的User Records部分，User Records佔據Page的大部分空間，User Records由一筆的Record組成，每筆記錄代表索引樹上的一個節點（非葉子節點和葉子節點）。在一個Page內部，單鍊錶的頭尾由固定內容的兩條記錄來表示，字串形式的"Infimum"代表開頭，"Supremum"代表結尾。這兩個用來代表開頭結尾的Record存放在System Records的段落裡，這個System Records和User Records是兩個平行的段落。 InnoDB存在4種不同的Record，它們分別是1主鍵索引樹非葉節點 2主鍵索引樹葉子節點 3輔助鍵索引樹非葉節點 4輔助鍵索引樹葉子節點。這4種節點的Record格式有一些差異，但是它們都儲存著Next指標指向下一個Record。後續我們會詳細介紹這4種節點，現在只要要把Record當成一個儲存了資料同時含有Next指標的單鍊錶節點即可。

　　User Record在Page內以單鍊錶的形式存在，最初資料是按照插入的先後順序排列的，但是隨著新資料的插入和舊資料的刪除，資料物理順序會變得混亂，但他們依然保持著邏輯上的先後順序。

　　把User Record的組織形式和若干Page組合起來，就看到了稍微完整的形式。

　　現在看下如何定位一個Record：

　　1 透過根節點開始遍歷一個索引的B+樹，透過各層非葉子節點最終到達一個Page，這個Page裡存放的都是葉子節點。

　　2 在Page內從"Infimum"節點開始遍歷單鍊錶（這種遍歷往往會被優化），如果找到該鍵則成功返回。如果記錄到達了"supremum"，表示當前Page裡沒有合適的鍵，這時要藉助Page的Next Page指針，跳到下一個Page繼續從"Infimum"開始逐個查找。

　　詳細看下不同類型的Record裡到底儲存了什麼數據，根據B+樹節點的不同，User Record可以被分成四種格式，下圖種依照顏色予以區分。

　　1 主索引樹非葉節點（綠色）

　　1 子節點儲存的主鍵裡最小的值（Min Cluster Key on Child），這是B+樹必須的，作用是在一個Page裡定位到具體的記錄的位置。

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

　　2 主索引樹葉子節點（黃色）

　　1 主鍵（Cluster Key Fields），B+樹必須的，也是資料行的一部份

　　2 除去主鍵以外的所有列（Non-Key Fields），這是資料行的除去主鍵的其他所有列的集合。

　　這裡的1和2兩部分加起來就是一個完整的資料行。

　　3 輔助索引樹非葉節點非（藍色）

　　1 子節點裡儲存的輔助鍵值裡的最小的值（Min Secondary-Key on Child），這是B+樹必須的，作用是在一個Page裡定位到具體的記錄的位置。

　　2 主鍵值（Cluster Key Fields），為什麼非葉子節點要儲存主鍵呢？因為輔助索引是可以不唯一的，但是B+樹要求鍵的值必須唯一，所以這裡把輔助鍵的值和主鍵的值合併起來作為在B+樹中的真正鍵值，保證了唯一性。但這也導致在輔助索引B+樹中非葉節點反而比葉子節點多了4個位元組。 （即下圖中藍色節點反而比紅色多了4位元組）

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

　　4 輔助索引樹葉子節點（紅色）

　　1 輔助索引鍵值（Secondary Key Fields），這是B+樹必須的。

　　2 主鍵值（Cluster Key Fields），用來在主索引樹裡再做一次B+樹檢索來找到整個記錄。

　　以下是本篇最重要的部分了，結合B+樹的結構和前面介紹的4種Record的內容，我們終於可以畫出一幅全景圖。由於輔助索引的B+樹與主鍵索引有相似的結構，這裡只畫出了主鍵索引樹的結構圖，只包含了"主鍵非葉節點"和"主鍵葉子節點"兩種節點，也就是上圖的的綠色和黃色的部分。

　　把上圖還原成下面這個更簡潔的樹形示意圖，這就是B+樹的一部分。注意Page和B+樹節點之間並沒有一一對應的關係，Page只是作為一個Record的保存容器，它存在的目的是便於對磁碟空間進行批量管理，上圖中的編號為47的Page在樹形結構上就被拆分成了兩個獨立節點。

　　至此本篇就算結束了，本篇只是對InnoDB索引相關的資料結構和實作進行了一些梳理總結，並未涉及到Mysql的實戰經驗。這主要是基於幾點原因：

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

　　2 原理性知識特別適合使用圖示，我個人非常喜歡這種表達方式。

　　3 關於InnoDB優化，在《高性能Mysql》裡有更加全面的介紹，對優化Mysql感興趣的同學完全可以自己獲取相關知識，我自己的積累還未達到能分享這些內容的地步。

　　另：對InnoDB實作有更多興趣的同學可以看看Jeremy Cole的部落格（參考文獻三篇文章的來源），這位老兄曾先後在Mysql，Yahoo，Twitter，Google從事資料庫相關工作，他的文章非常棒！

 以上就是MySQL的InnoDB索引原理詳解的內容，更多相關內容請關注PHP中文網（www.php.cn）！ 

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