MySQL 页结构与数据存储原理全解析》

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《MySQL 页结构与数据存储原理全解析》

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一、前言：理解页结构，是深入 InnoDB 的起点

大家好，我是程序员卷卷。

我们平时写 SQL 时，看到的都是逻辑上的“表”“行”“列”，
但在 InnoDB 的底层，这一切都以 页（Page） 为单位进行物理存储与管理。

无论是索引查找、缓冲缓存、磁盘读写，最小单位都是“页”。
这意味着：

如果你真正理解了页的结构，就能从底层解释“为什么随机 IO 慢、为什么自增主键快、为什么行锁粒度能控制到单行”。

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二、页的定义与基本单位

在 InnoDB 中：

• 页（Page）是磁盘与内存交互的最小单位；
• 每页默认大小为 16KB；
• 多个页组成区（Extent，1MB），多个区组成段（Segment），段组成表空间（Tablespace）。

层级结构如下：

表空间（Tablespace）├── 段（Segment）│     └── 区（Extent）│           └── 页（Page, 16KB）│                 └── 行（Row）

简单理解：

InnoDB 把磁盘空间分成了一个个“16KB 的小格子”，每个格子就是一个 Page。

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三、页的内部结构详解

每个页内部都包含固定的逻辑结构，可分为以下部分

┌───────────────────────────┐
│ File Header（文件头）     │ 38字节，存页号、校验值等
│ Page Header（页头）       │ 56字节，页目录、行数等
│ Infimum/Supremum Record   │ 固定两条虚拟记录
│ User Records（用户记录）  │ 存储真实数据行
│ Free Space（空闲空间）     │ 插入新行时使用
│ Page Directory（页目录）   │ 记录偏移地址，加快查找
│ File Trailer（校验信息）   │ 校验页完整性
└───────────────────────────┘

（1）File Header（文件头）

记录页的编号、上一个页、下一个页、校验值，用于维护 B+Tree 的双向链表结构。

（2）Page Header（页头）

存储当前页中记录数量、最小和最大记录位置等元信息。

（3）Infimum/Supremum Record

两条虚拟记录，分别代表“最小值”和“最大值”，
保证页内记录有序，便于二分查找。

（4）User Records（用户记录）

实际存储表中的数据行。
InnoDB 会根据主键顺序在页内排序，形成 B+Tree 的叶子节点结构。

（5）Free Space（空闲空间）

用于存放后续新增的行，当空间不足时会触发页分裂。

（6）Page Directory（页目录）

存储每条记录的偏移地址，用于加速定位。
查找记录时，InnoDB 先通过目录定位，再顺序扫描。

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四、数据行在页中的存储方式

每一行数据在页中以“记录（Record）”形式存在，
每条记录包含两部分：记录头信息 + 实际列值。

┌───────────────────────────────┐
│ Record Header（记录头，5字节）│
│    + delete_flag              │
│    + next_record 指针         │
│    + record_type              │
│ Column Values（真实列数据）   │
└───────────────────────────────┘

举例说明

表结构：

CREATE TABLE user (id INT PRIMARY KEY,name VARCHAR(20),age INT
) ENGINE=InnoDB;

在页中表现为：

• 页内记录根据 主键 id 有序排列；
• 每条记录包含一个 “next_record” 指针，形成单向链表；
• 通过页目录（Page Directory）加速二分查找；
• 若页满，页会分裂（Page Split），形成新的页并更新 B+Tree 链接。

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五、索引页与数据页的关系

InnoDB 的 B+Tree 索引中：

• 叶子节点页 存放实际数据行（称为“数据页”）；
• 非叶子节点页 存放索引键与指针（称为“索引页”）。

示意图如下

                 ┌─────────────────────┐│     根节点页         │└─────────┬───────────┘┌─────────┴───────────┐┌────────▼────────┐    ┌────────▼────────┐│   索引页（中间层） │    │   索引页（中间层） │└────────┬────────┘    └────────┬────────┘┌───────▼───────┐     ┌───────▼───────┐│   数据页（叶子层） │     │   数据页（叶子层） │└────────────────┘     └────────────────┘

所以 InnoDB 的主键索引即“聚簇索引”，
数据行就存放在 B+Tree 的叶子节点中。

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六、页分裂与合并

当插入新数据导致页满时：

• InnoDB 会分裂出新页；
• 重新分配部分记录；
• 更新父节点指针。

页合并发生在删除大量数据时，
若相邻页利用率过低，会自动合并，减少碎片。

这两种操作是维护 B+Tree 平衡结构的关键。

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七、面试高频问题与答题模板

问题	答案要点
Q1：InnoDB 一页多大？为什么是 16KB？	默认 16KB，兼顾 I/O 性能与内存命中率。
Q2：为什么 InnoDB 查找时要“回表”？	因为二级索引页存储主键值，需要到数据页（聚簇索引）获取完整行数据。
Q3：页目录的作用是什么？	存储记录偏移，加快页内定位。
Q4：页分裂是什么？	页空间不足时，数据部分迁移到新页，更新索引指针。
Q5：InnoDB 的叶子页与非叶子页区别？	叶子页存数据行，非叶子页存索引键与页号指针。
Q6：页是如何在内存与磁盘之间交互的？	InnoDB Buffer Pool 以页为单位进行读写与缓存。

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八、总结：理解页，就是理解 InnoDB

MySQL 的性能优化，本质上就是对“页”的利用优化。

• 索引查找靠页定位；
• Buffer Pool 按页缓存；
• 磁盘 I/O 按页读写；
• 表结构设计决定页利用率。

理解页结构，就能从物理层回答：

“为什么自增主键比随机主键更快？”
——因为自增主键插入不会频繁触发页分裂。

下一篇（第 4 篇），我将写——
《CHAR、VARCHAR、TEXT 的差别与存储方式》，
带你理解字符串类型的底层存储差异、长度限制与性能影响。