MySQL 如何存儲大數據

KatriceMart 8年前發布 | 35K 次閱讀 MySQL 大數據數據庫服務器

最近，在工作中遇到了MySQL中如何存儲長度較長的字段類型問題，于是花了一周多的時間抽空學習了一下，并且記錄下來。

MySQL大致的邏輯存儲結構在這篇文章中有介紹，做為基本概念： InnoDB 邏輯存儲結構

注：文中所指的大數據指的是長度較長的數據字段，包括varchar/varbinay/text/blob。

Compact行格式

我們首先來看一下行格式為Compact是如何存儲大數據的：

mysql> select version();
+-----------+
| version() |
+-----------+
| 5.1.73    |
+-----------+
1 row in set (0.01 sec)

mysql> show table status like 'row'\G;
*************************** 1. row ***************************
           Name: row
         Engine: InnoDB
        Version: 10
     Row_format: Compact
           Rows: 1
 Avg_row_length: 81920
    Data_length: 81920
Max_data_length: 0
   Index_length: 0
      Data_free: 0
 Auto_increment: NULL
    Create_time: 2017-01-04 21:46:02
    Update_time: NULL
     Check_time: NULL
      Collation: latin1_swedish_ci
       Checksum: NULL
 Create_options: 
        Comment: 
1 row in set (0.00 sec)

我們建立一張測試表，插入數據：

CREATE TABLE `row` (
  `content` varchar(65532) NOT NULL DEFAULT ''
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1

mysql> insert into row(content) select repeat('a',65532);
Query OK, 1 row affected (0.03 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

我們使用 py_innodb_page_info.py 工具來查看表中的頁分布：

[root@localhost mysql]# python py_innodb_page_info.py -v com/row.ibd 
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>
page offset 00000006, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000007, page type <Uncompressed BLOB Page>
Total number of page: 8:
Insert Buffer Bitmap: 1
Uncompressed BLOB Page: 4
File Space Header: 1
B-tree Node: 1
File Segment inode: 1

可以看出，第4頁的 <B-tree Node>, page level <0000> 格式為數據頁，存放著MySQL的行數據。 <Uncompressed BLOB Page> 可以理解為MySQL存放大數據的地方，暫且叫作外部存儲頁。Compact格式沒有將大數據全部放在數據頁中，而是將一部分數據放在了外部存儲頁中。那么，是全部數據在外部存儲頁中，還是一部分數據。假如是一部分數據，這一部分是多少呢？

我們使用 hexdump -Cv row.ibd 查看一下數據頁 <B-tree Node>, page level <0000> ，也就是第4頁：

3073 0000c000  8c 25 17 57 00 00 00 03  ff ff ff ff ff ff ff ff  |.%.W....????????|
3074 0000c010  00 00 00 00 00 07 3a b8  45 bf 00 00 00 00 00 00  |......:?E?......|
3075 0000c020  00 00 00 00 00 02 00 02  03 a6 80 03 00 00 00 00  |.........?......|
3076 0000c030  00 7f 00 05 00 00 00 01  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3077 0000c040  00 00 00 00 00 00 00 00  00 13 00 00 00 02 00 00  |................|
3078 0000c050  00 02 00 f2 00 00 00 02  00 00 00 02 00 32 01 00  |...?.........2..|
3079 0000c060  02 00 1c 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 02 00 0b 00 00  |...infimum......|
3080 0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  14 c3 00 00 10 ff f1 00  |supremum.?...??.|
3081 0000c080  00 00 00 04 03 00 00 00  00 13 12 80 00 00 00 2d  |...............-|
3082 0000c090  01 10 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |..aaaaaaaaaaaaaa|
3083 0000c0a0  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
3084 0000c0b0  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
3085 0000c0c0  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
....
....
3128 0000c370  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
3129 0000c380  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
3130 0000c390  61 61 00 00 00 02 00 00  00 04 00 00 00 26 00 00  |aa...........&..|
3131 0000c3a0  00 00 00 00 fc fc 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |....??..........|
3132 0000c3b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3133 0000c3c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3134 0000c3d0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
...
...
4093 0000ffc0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
4094 0000ffd0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
4095 0000ffe0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
4096 0000fff0  00 00 00 00 00 70 00 63  01 a1 6c 2b 00 07 3a b8  |.....p.c.?l+..:?|

我們可以看出，數據頁中存儲了一部分數據，算下來一共是768字節，然后剩余部分存儲在外部存儲頁中。那么數據頁與外部存儲頁、外部存儲頁與外部存儲頁是如何連接在一起的呢？

我們觀察這一行：

3130 0000c390  61 61 00 00 00 02 00 00  00 04 00 00 00 26 00 00  |aa...........&..|
3131 0000c3a0  00 00 00 00 fc fc 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

這一行是前綴768字節的結尾。注意最后的20個字節：

00 00 00 02：4字節，代表外部存儲頁所在的space id
00 00 00 04：4字節，代表第一個外部頁的Page no
00 00 00 26：4字節，值為38，指向blob頁的header
00 00 00 00 00 00 fc fc：8字節，代表該列存在外部存儲頁的總長度。此處的值為64764，加上前綴768正好是65532。（注意一點，雖然表示BLOB長度的是8字節，實際只有4個字節能使用，所有對于BLOB字段，存儲數據的最大長度為4GB。）

驗證下第一個外部存儲頁的頭部信息：

4097 00010000  cd c3 b6 8e 00 00 00 04  00 00 00 00 00 00 00 00  |??.............|
4098 00010010  00 00 00 00 00 06 b8 a2  00 0a 00 00 00 00 00 00  |......??........|
4099 00010020  00 00 00 00 00 02 00 00  3f ca 00 00 00 05 61 61  |........??....aa|
4100 00010030  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
...
...

前38個字節為File Header(關于InnoDB數據頁的詳細結構請參見《MySQL技術內幕 InnoDB存儲引擎》4.4)，這個簡單提一下：

cd c3 b6 8e：4字節，該頁的checksum。
00 00 00 04：4字節，頁偏移，此頁為表空間中的第5個頁。
00 00 00 00：4字節，當前頁的上一個頁。此頁為 <Uncompressed BLOB Page> ，所以沒有上一頁。
00 00 00 00：4字節，當前頁的下一個頁。此頁為 <Uncompressed BLOB Page> ，所以沒有下一頁。
00 00 00 00 00 06 b8 a2：8字節，該頁最后被修改的日志序列位置LSN。
00 0a：2字節，頁類型，0x000A代表BLOB頁。
00 00 00 00 00 00 00 00：8字節，略過。
00 00 00 02：頁屬于哪個表空間，此處指表空間的ID為2。

之后是4字節的 00 00 3f ca ，這里的值為16330，代表此BLOB頁的有效數據的字節數。 00 00 00 05 代表下一個BLOB頁的page number。

我們看最后一個 <Uncompressed BLOB Page> ，第8個頁：

7169 0001c000  fa 78 9b 27 00 00 00 07  00 00 00 00 00 00 00 00  |?x.'............|
7170 0001c010  00 00 00 00 00 07 3a b8  00 0a 00 00 00 00 00 00  |......:?........|
7171 0001c020  00 00 00 00 00 02 00 00  3d 9e ff ff ff ff 61 61  |........=.????aa|
7172 0001c030  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
7173 0001c040  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
...
...

最后一頁的有效數據大小為0x00003d9e=15774，768+16330*3+15774 = 65532字節，符合初始插入數據的大小。

由于這是最后一個 <Uncompressed BLOB Page> ，所以指向下一個 <Uncompressed BLOB Page> 的指針為ff ff ff ff。

由此我們可以很清晰的看出數據頁與BLOB頁的連接關系(引用淘寶數據庫月報上的一張圖)：

我們來再看一個比較有意思的例子。：

CREATE TABLE `testblob` (
  `blob1` blob NOT NULL,
  `blob2` blob NOT NULL,
  `blob3` blob NOT NULL,
  `blob4` blob NOT NULL,
  `blob5` blob NOT NULL,
  `blob6` blob NOT NULL,
  `blob7` blob NOT NULL,
  `blob8` blob NOT NULL,
  `blob9` blob NOT NULL,
  `blob10` blob NOT NULL,
  `blob11` blob NOT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1;

mysql> insert into testblob select repeat('a',1000),repeat('b',1000),repeat('c',1000),repeat('d',1000),repeat('e',1000),repeat('f',1000),repeat('g',1000),repeat('h',1000),repeat('i',1000),repeat('j',1000),repeat('k',1000);
ERROR 1030 (HY000): Got error 139 from storage engine

我們建立一張新表，有11個blob字段。然后向每個字段插入1000字節的數據，MySQL會提示 ERROR 1030 (HY000): Got error 139 from storage engine ，什么意思呢？

InnoDB是以B+樹來組織數據的，假如每一行數據都占據一整個Page頁，那么B+樹將退化為單鏈表，所以InnoDB規定了一個Page必須包含兩行數據。也就是一行數據存儲在Page上的大小大概為8000字節。

而上面的例子，一行數據有11個1000字節的數據，Page層肯定放不下，所以在Page層留下768*11=8448字節，已經超過了8000字節，所以MySQL會提示 ERROR 1030 (HY000): Got error 139 from storage engine 。我們很輕松的定義一個字段，來存儲11000個字節，但是卻無法將他們分成11個字段來存儲，有點意思！

那么如何解決上面的問題呢？

將行格式轉為接下來要說的Dynamic格式。此種格式只用20字節指向外部存儲空間。
將多個blob字段轉為一個blob字段。多個字段可以用數組存儲，然后json_encode打包進blob。

我們向表中插入一條有效記錄：

mysql>  insert into testblob(blob1,blob2,blob3,blob4,blob5,blob6,blob7,blob8,blob9) select repeat('a',8000),repeat('b',8000),repeat('c',8000),repeat('d',8000),repeat('e',8000),repeat('f',8000),repeat('g',8000),repeat('h',8000),repeat('i',8000);
Query OK, 1 row affected (0.12 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

[root@localhost mysql]# python py_innodb_page_info.py -v com/testblob.ibd
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>
page offset 00000006, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000007, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000008, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000009, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 0000000a, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 0000000b, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 0000000c, page type <Uncompressed BLOB Page>
Total number of page: 13:
Insert Buffer Bitmap: 1
Uncompressed BLOB Page: 9
File Space Header: 1
B-tree Node: 1
File Segment inode: 1

我們可以看出這一行數據有9個外部存儲頁，而我們一共就插入了9列數據，是不是當每一列的數據在page頁放不下，都單獨申請一個外部存儲頁，而互相之前不共享外部存儲頁。我們看一下page頁的結構就知道了：

3130 0000c390  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 61 61  |aaaaaaaaaaaaaaaa|
 3131 0000c3a0  61 61 61 61 00 00 00 05  00 00 00 04 00 00 00 26  |aaaa...........&|
...
...
 3180 0000c6b0  62 62 62 62 62 62 62 62  00 00 00 05 00 00 00 05  |bbbbbbbb........|
 3181 0000c6c0  00 00 00 26 00 00 00 00  00 00 1c 40 63 63 63 63  |...&.......@cccc|
...
...
 3229 0000c9c0  63 63 63 63 63 63 63 63  63 63 63 63 00 00 00 05  |cccccccccccc....|
 3230 0000c9d0  00 00 00 06 00 00 00 26  00 00 00 00 00 00 1c 40  |.......&.......@|
...
...

根據前面的分析，我們現在可以看出，外部存儲頁是不共享的，即使一個列的數據多出一個字節，這一個字節也是獨占一個16KB空間的大小，這很浪費存儲空間。（當然，這對現代計算機可能不是問題，呵呵）。

說了這么多，總結下Compact格式存儲大數據的缺點：

由于存在768字節的前綴在Page頁，所以會存在能定義一個字段，存儲11000字節，但是不能定義11個字段，每個字段存儲1000字節的"bug"。
外部存儲頁不共享，即使多余一個字節也是獨享16KB的頁面。

Dynamic行格式

接著我們首先看一下行格式為Dynamic是如何存儲大數據的：

mysql> select version();
+-----------+
| version() |
+-----------+
| 5.7.14    |
+-----------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> show table status like 'row'\G;
*************************** 1. row ***************************
           Name: row
         Engine: InnoDB
        Version: 10
     Row_format: Dynamic
           Rows: 0
 Avg_row_length: 0
    Data_length: 16384
Max_data_length: 0
   Index_length: 0
      Data_free: 0
 Auto_increment: NULL
    Create_time: 2017-01-03 22:45:16
    Update_time: NULL
     Check_time: NULL
      Collation: latin1_swedish_ci
       Checksum: NULL
 Create_options:
        Comment:
1 row in set (0.00 sec)

創建和compact格式一樣的表：

CREATE TABLE `row` (
  `content` varchar(65532) NOT NULL DEFAULT ''
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1

insert into row(content) select repeat('a',65532);
Query OK, 1 row affected (0.03 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

看下頁分布：

[root@localhost mysql]# python py_innodb_page_info.py -v row.ibd 
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>
page offset 00000006, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000007, page type <Uncompressed BLOB Page>
page offset 00000008, page type <Uncompressed BLOB Page>
Total number of page: 9:
Insert Buffer Bitmap: 1
Uncompressed BLOB Page: 5
File Space Header: 1
B-tree Node: 1
File Segment inode: 1

第4頁是數據頁，第5-9頁是二進制頁。我們直接看磁盤中第4頁的數據：

3073 0000c000  dc 2d b0 f5 00 00 00 03  ff ff ff ff ff ff ff ff  |.-..............|
3074 0000c010  00 00 00 00 00 a3 4b 59  45 bf 00 00 00 00 00 00  |......KYE.......|
3075 0000c020  00 00 00 00 00 36 00 02  00 a6 80 03 00 00 00 00  |.....6..........|
3076 0000c030  00 7f 00 05 00 00 00 01  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3077 0000c040  00 00 00 00 00 00 00 00  00 64 00 00 00 36 00 00  |.........d...6..|
3078 0000c050  00 02 00 f2 00 00 00 36  00 00 00 02 00 32 01 00  |.......6.....2..|
3079 0000c060  02 00 1c 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 02 00 0b 00 00  |...infimum......|
3080 0000c070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  14 c0 00 00 10 ff f1 00  |supremum........|
3081 0000c080  00 00 00 02 00 00 00 00  00 07 07 a7 00 00 01 1b  |................|
3082 0000c090  01 10 00 00 00 36 00 00  00 04 00 00 00 26 00 00  |.....6.......&..|
3083 0000c0a0  00 00 00 00 ff fc 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3084 0000c0b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3085 0000c0c0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3086 0000c0d0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
3087 0000c0e0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
...
...
...

和Compact格式有著明顯的不同，當大數據在Page頁存放不下時，Dynamic行格式不會留768字節在Page頁，并且將全部大數據都放在外部存儲頁。具體的數據頁和外部存儲頁的連接關系同Compact格式一樣。

我們再看看Dynamic格式的外部存儲頁是不是每一個列獨享外部存儲空間，還是同Compact格式實驗過程一樣：

CREATE TABLE `testblob` (
  `blob1` blob NOT NULL,
  `blob2` blob NOT NULL,
  `blob3` blob NOT NULL,
  `blob4` blob NOT NULL,
  `blob5` blob NOT NULL,
  `blob6` blob NOT NULL,
  `blob7` blob NOT NULL,
  `blob8` blob NOT NULL,
  `blob9` blob NOT NULL,
  `blob10` blob NOT NULL,
  `blob11` blob NOT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1;

mysql>   insert into testblob(blob1,blob2,blob3,blob4,blob5,blob6,blob7,blob8,blob9,blob10,blob11) select repeat('a',8000),repeat('b',8000),repeat('c',8000),repeat('d',8000),repeat('e',8000),repeat('f',8000),repeat('g',8000),repeat('h',8000),repeat('i',8000),repeat('j',8000),repeat('k',8000);
Query OK, 1 row affected (0.10 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

看一下外部存儲頁數據：

4599 00011f60  61 61 61 61 61 61 61 61  61 61 61 61 61 61 00 00  |aaaaaaaaaaaaaa..|
 4600 00011f70  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

好的，可以不用向下看其他列的了，Dynamic的外部存儲頁也不是共享的。

但是MySQL為什么要這么設計呢？可能是為了實現簡單吧，沿著鏈表通過有效數據大小就能讀取blob的全部數據。假如多個字段的blob混在一起，可能設計更復雜，要更新每個字段的偏移量之類的，更新的話頁數據管理也比較麻煩。我的個人猜測，呵呵。

總結下Dynamic格式存儲大數據的特點：

當數據頁放不下時，MySQL會將大數據全部放在外部存儲頁，數據頁只留指向外部存儲頁的指針。
外部存儲頁不共享，即使多余一個字節也是獨享16KB的頁面。

將列放入外部存儲頁的標準

當一行中的數據不能在數據頁中放下，需要申請外部存儲頁時，MySQL需要決定將哪一列的數據放到外部存儲頁，遵循的規則如下：

長度固定的字段不會被放到外部存儲頁（int、char(N)等）
長度小于20字節的字段不會被放到外部存儲頁。（假如放到外部存儲頁，不僅會單獨占據16KB，還要額外的20字節指針，沒有必要）
對于Compact和REDUNDANT格式的行數據，長度小于768字節的字段不會被放到外部存儲頁。（這個原因很顯然，本來就不夠768字節的前綴，總不能生搬硬湊吧）。

當有多個大數據字段滿足上面條件，需要被放到外部存儲頁時，MySQL會優先選擇大的字段放到外部存儲頁，因為這樣可以最大限度的省下數據頁的空間，使得更多的字段能夠被放到數據頁。

由于有較多的實驗過程，所以顯得比較亂，建議看到這篇文章人自己實踐一遍，畢竟自己動手會思考更多的問題與細節，理解的也比較深刻，哈哈哈。

參考資料： http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/column-count-limit.html

http://mysqlserverteam.com/externally-stored-fields-in-innodb/

https://www.percona.com/blog/2010/02/09/blob-storage-in-innodb/

http://mysql.taobao.org/monthly/2016/02/01/

來自：https://github.com/zhangyachen/zhangyachen.github.io/issues/96

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