InnoDB 表空间 (table space) 用来组织存储保存的数据，本文中对表空间管理进行分析。
简介
InnoDB 实现的表空间是在文件系统之上又构建的一层逻辑存储的空间管理，每个表空间在逻辑上划分为了如下的几层结构，依次包括 table space、segment inode、extent、page、record 。
如图所示，InnoDB 最小读写单位是 Page；为了高效管理，又将连续的 64 个页称为 extent，而且在一个表空间中，通常是以 extent 为单位进行资源分配。
除此之外，还在 extents 上层添加了一个 segment inode 管理，最多可以管理 256 个 extents。如果 page 采用默认的 16K，那么对应的 extent 大小为 64*16K=1M，而 segment 对应 256M 。
参数设置
首先确认几个与表空间管理相关的参数，也就是打开独立表空间，且采用默认的页大小为 16K 。
mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_file_per_table';
+-----------------------+-------+
| Variable_name | Value |
+-----------------------+-------+
| innodb_file_per_table | ON |
+-----------------------+-------+
1 row in set (0.01 sec)
mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_page_size';
+------------------+-------+
| Variable_name | Value |
+------------------+-------+
| innodb_page_size | 16384 |
+------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)
工具
在查看表空间时可以使用几个常用的工具，可以参考 innodb_page_info 。
----- 查看每个页的详细信息
$ innodb_page_info -v dept_emp.ibd
文件格式详解
InnoDB 的存储文件格式如上图所示，我们直接从大到小介绍其结构，依次从 space file -> segment -> extent -> page -> row 逐一介绍。
Space File 格式
Space File 主要包括了两类：系统空间 (system space) 和 表空间 (Per-table space files)。一个表空间文件，实际就是一系列 Pages 的组合 (最大 232)，为了方便管理，你可以理解为做了三级的划分，分别是 segment、extent、page 。
其基本结构如下所示：
0 KiB +---------------------------------------------------+
| FSP_HDR: Filespace Header / Extent Descriptor |
16 KiB +---------------------------------------------------+
| IBUF_BITMAP: Insert Buffer Bookeeping |
32 KiB +---------------------------------------------------+
| INODE: Index Node Information |
48 KiB +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
v | |
256 MiB +---------------------------------------------------+
| | XDES: Extent descriptor for next 16,384 pages |
| +---------------------------------------------------+
| | IBUF_BITMAP: IBUF Bitmap for next 16,384 pages |
| +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
v | |
512 MiB +---------------------------------------------------+
| | XDES: Extent descriptor for next 16,384 pages |
| +---------------------------------------------------+
| | IBUF_BITMAP: IBUF Bitmap for next 16,384 pages |
| +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
| | |
v +---------------------------------------------------+
对于 Page0 肯定是 File SPace HeaDeR，其中维护了 extent 相关的信息，例如那些是空闲的、满的、有碎片的 (fragmented)。在 FSP_HDR 页中，只能维护 256 个 extent 相关的信息 (16,384 pages==256MiB)，这也就导致每隔 256M 都需要有一个 XDES 来管理接下来的 extent 元信息。
系统空间
在系统空间中的固定位置保存了与 InnoDB 相关的关键信息，其中的 FSP_HDR、IBUF_BITMAP、INODE 三个页都是相同的，只是之后的页会有区别。
0 KiB +---------------------------------------------------+
| FSP_HDR: Filespace Header / Extent Descriptor |
16 KiB +---------------------------------------------------+
| IBUF_BITMAP: Insert Buffer Bookeeping |
32 KiB +---------------------------------------------------+
| INODE: Index Node Information |
48 KiB +---------------------------------------------------+
| SYS: Insert Buffer Header |
64 KiB +---------------------------------------------------+
| | INDEX: Insert Buffer Header |
| +---------------------------------------------------+
| | TRX_SYS: Transaction System Header |
| +---------------------------------------------------+
| | SYS: First Rollback Segment |
| +---------------------------------------------------+
| | SYS: Data Dictionary Header |
| +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
v | |
Page 64 +---------------------------------------------------+
| Double Write Buffer Block 1 (64 pages) |
Page 128 +---------------------------------------------------+
| Double Write Buffer Block 2 (64 pages) |
Page 192 +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
| | |
v +---------------------------------------------------+
表空间 Per-table Space Files
这需要打开 innodb_file_per_table 变量之后才会生效。
0 KiB +---------------------------------------------------+
| FSP_HDR: Filespace Header / Extent Descriptor |
16 KiB +---------------------------------------------------+
| IBUF_BITMAP: Insert Buffer Bookeeping |
32 KiB +---------------------------------------------------+
| INODE: Index Node Information |
48 KiB +---------------------------------------------------+
| INDEX: Root page of first index |
64 KiB +---------------------------------------------------+
| | INDEX: Root page of second index |
| +---------------------------------------------------+
| | INDEX: Node pages ... |
| +---------------------------------------------------+
| | INDEX: Leaf pages ... |
| +---------------------------------------------------+
| | ALLOCATED: Reserved bu unused pages ... |
| +---------------------------------------------------+
| | |
| ~ More pages ... ~
| | |
v +---------------------------------------------------+
Segment
在 segment 中保存了与 extent 相关的元数据，实际上是在空间文件的固定位置保存了 extent 的元数据信息，其格式为 FSP_HDR/XDES，其结构也非常简单，在 Page Body 中保存了 256 个 extent descriptors 。
00000 +---------------------------------------------------+
| FIL header (38) |
00038 +---------------------------------------------------+
| FSP Header (zero-filled for XDES pages) (112) |
00150 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 0 (pages 0 ~ 63) (40) |
00190 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 1 (pages 64 ~ 127) (40) |
00230 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 2 (pages 128 ~ 191) (40) |
00270 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 3 (pages 192 ~ 255) (40) |
00310 +---------------------------------------------------+
| |
~ ... ... ~
| |
10310 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 254 (pages 16256 ~ 16319) (40) |
10350 +---------------------------------------------------+
| XDES Entry 255 (pages 16320 ~ 16383) (40) |
10390 +---------------------------------------------------+
| |
~ (Empty Space: 5,986 bytes) ~
| |
16376 +---------------------------------------------------+
| FIL Trailer (8) |
16384 +---------------------------------------------------+
该页的类型同样在 fil0fil.h 中定义。
#define FIL_PAGE_INODE 3 /*!< Index node */
该类型的页定义为 inode，这与文件系统中的 inode 概念有点混淆，实际上与文件系统中的概念完全不同，在 InnoDB 中只是描述了与 extent 相关的信息。
Extents and extent descriptors
extent 是为了更加方便的管理 page，也可以称为簇或者区，对于 16KiB 大小的 page 一个 extent 管理 64 个，其定义在 fsp0types.h 文件中定义，不同大小的页，对应的 extent 也有所不同。
/** File space extent size in pages
page size | file space extent size
----------+-----------------------
4 KiB | 256 pages = 1 MiB
8 KiB | 128 pages = 1 MiB
16 KiB | 64 pages = 1 MiB
32 KiB | 64 pages = 2 MiB
64 KiB | 64 pages = 4 MiB
*/
/** File space extent size (one megabyte if default two or four if not) in pages */
#define FSP_EXTENT_SIZE ((UNIV_PAGE_SIZE <= (16384) ? \
(1048576U / UNIV_PAGE_SIZE) : \
((UNIV_PAGE_SIZE <= (32768)) ? \
(2097152U / UNIV_PAGE_SIZE) : \
(4194304U / UNIV_PAGE_SIZE))))
extent 是通过一个叫簇描述符 (extent descriptor) 来表示的，对应了上述的 XDES Entry，详细格式如下：
N +------------------------------------+
| File Segment ID (8) |
N+8 +------------------------------------+
| List node for XDES list (12) |
N+20 +------------------------------------+
| State (4) |
N+24 +------------------------------------+
| Page State Bitmap (16) |
| 2 bits per page, 1=free, 2=clean |
N+40 +------------------------------------+
详细的宏定义在 fsp0fsp.h 头文件中。
#define XDES_ID 0
#define XDES_FLST_NODE 8
#define XDES_STATE (FLST_NODE_SIZE + 8)
#define XDES_BITMAP (FLST_NODE_SIZE + 12)
#define XDES_SIZE (XDES_BITMAP + UT_BITS_IN_BYTES(FSP_EXTENT_SIZE * XDES_BITS_PER_PAGE))
每个 extent descriptor 会管理 64 个 pages，最后的 16Bytes 用来标识这 64 个 page 的状态，如空闲、半空闲，主要目的是为了能够快速从这 64 个 page 中找到空闲的 page。
Page
页是 InnoDB 中的最小的逻辑存储单位，很多基本操作都是以页为单位进行，在 include/univ.i 文件中通过宏指定，默认大小是 16K。
#define UNIV_PAGE_SIZE ((ulint) srv_page_size)
而变量 srv_page_size 的大小，实际对应了 innodb_page_size 参数。与页相关的宏定义基本都在 fil0fil.h 头文件中，其中定义了多种页类型，其中比较常见的举例如下：
#define FIL_PAGE_INDEX 17855 // 数据索引页
#define FIL_PAGE_UNDO_LOG 2 // 事务回滚日志页
#define FIL_PAGE_INODE 3 // inode页，用来管理segment
如上所述，默认每个页的大小为 16K=16384Byte，每个页通过一个 int32 类型的值标识其在表空间中页的偏移量，也就是说默认的表空间最大是 232 x 16 KiB = 64 TiB 。
页格式
所有 page 的格式都是相同的，由 page_header、page_body、page_trailer 三部分组成。
00000 +-------------------------------------------+
| FIL header (38) FIL_PAGE_DATA |
00038 +-------------------------------------------+
| Body, other headers and page data, |
| depending on page type. |
| |
| Total usable space: 16,338 bytes |
| |
16376 +-------------------------------------------+
| FIL Trailer (8) FIL_PAGE_DATA_END |
16384 +-------------------------------------------+
如上，包括了 page 的头信息，占 38 个字节，像页类型这样的元数据信息会保存在该字段中；page trailer 也就是页末尾的最后 8 个字节；剩余中间的部分作为 page body，也即页的实体信息，对这部分来说不同的页类型包含了不同的内容。
而对应页内各个 field 的大小，是在 fil0fil.h 头文件中通过宏进行定义。需要注意的是，很大一部分宏，实际定义的是在页内的偏移量，可以参考其注释。
#define FIL_PAGE_DATA 38 /*!< start of the data on the page */
#define FIL_PAGE_DATA_END 8 /*!< size of the page trailer */
页中其它的偏移量同样在 fil0fil.h 头文件中定义。
Header+Tailer
其中，Header 和 Tailer 中保存元信息的详细内容如下所示：
00000 +-------------------------------------------+
| Checksum (4) |
00004 +-------------------------------------------+
| Offset (Page Number) (4) |
00008 +-------------------------------------------+
| Previous Page Number (4) |
00012 +-------------------------------------------+
| Next Page Number (4) |
00016 +-------------------------------------------+
| LSN for last page modification (8) |
00024 +-------------------------------------------+
| Page Type (2) |
00026 +-------------------------------------------+
| Flush LSN OR version+checksum (8) |
00034 +-------------------------------------------+
| Space ID (4) |
00038 +-------------------------------------------+
| |
~ ... ... ~
| |
16376 +-------------------------------------------+
| Old-style Checksum (4) |
16380 +-------------------------------------------+
| Low 32 bit of LSN (4) |
16384 +-------------------------------------------+
在 Page Header 中，各个字段的占用空间以及大致的含义如下。
FIL_PAGE_SPACE_OR_CHKSUM # 4，对于大于4.0.14的版本，存储的为checksum，否则为0
FIL_PAGE_OFFSET # 4，页号page no，一般是在表空间的物理偏移量
FIL_PAGE_PREV # 4，前一页的page no，B+tree的叶子节点是通过链表串起来，很多类型的页不需要该值
FIL_PAGE_NEXT # 4，后一页的page no
FIL_PAGE_LSN # 8，更改记录时最大的redo log lsn，一般用在redo log恢复时使用
FIL_PAGE_TYPE # 2，page的类型
FIL_PAGE_FILE_FLUSH_LSN # 8，space文件最后被flush是的redo log lsn，只在第一页中设置
FIL_PAGE_SPACE_ID # 4，最后被归档的archive log file序号，同样只在space的第一个页中被设置
这里的页号 (page no) 实际上是相对于整个表空间的偏移量，表空间可以包含有多个文件，而这个页号是连续的。在各个页的头部中，还保存了前后页的 page no，从而形成了类似双像链表的结构。
不同类型的页对应 body 部分的数据结构是不同的，因此需要根据 header 中的页类型来解析该页的数据。另外，页号会在页初始化完成之后赋值，可以用来校验通过偏移量读取的页是否正确。
对于 tailer 来说，高 4 位是用来存储 FIL_PAGE_LSN 的部分信息，低 4 位用来表示 page 页中数据老的 checksum 信息。
checksum
在 5.6.3 中，引入了 innodb_checksum_algorithm 这一变量，用于设置 checksum 的计算方式，默认采用的是 INNODB 。其中 checksum 分别在 header 和 tailer 保存，在 tailer 中保存的是老的方式，后面将会被取消掉。
Index
在 InnoDB 中，所有的都是通过 Index 表示，包括主表和索引表，该类型的页同样在 fil0fil.h 中定义。
#define FIL_PAGE_INDEX 17855 /*!< B-tree node */
该页的结构如下。
00000 +-------------------------------+
| FIL header (38) |
00038 +-------------------------------+
| INDEX Header (36) |
00074 +-------------------------------+
| FSEG Header (20) |
00094 +-------------------------------+
| System Records (26) |
00120 +-------------------------------+
| |
~ User Records ~
| |
+-------------------------------+
Top | Free Space |
+-------------------------------+
| |
~ Page Directory ~
| |
16376 +-------------------------------+
| FIL Trailer (8) |
16384 +-------------------------------+
Index Header
38 +-------------------------------+
| Number of Directory Slots (2)
40 +-------------------------------+
| Heap Top Positon (2) |
42 +-------------------------------+
| Number of Heap Records / Format Flag (2)
44 +-------------------------------+
System Records
每个 INDEX 页都包含两个被称为 infimum 和 supremum 的系统记录，而且其偏移量是固定的，分别为 offset 99 以及 offset 112 。
094 +------------------------------------+
| Info Flags (4 bits) |
+------------------------------------+
| Number of Records Owned (4 bits) |
095 +------------------------------------+
| Order (13 bits) |
+------------------------------------+
| Record Type (3 bits) |
097 +------------------------------------+
| Next Record Offset (2) |
099 +------------------------------------+
| "infimum\0" (8) |
107 +------------------------------------+
| Info Flags (4 bits) |
+------------------------------------+
| Number of Records Owned (4 bits) |
108 +------------------------------------+
| Order (13 bits) |
+------------------------------------+
| Record Type (3 bits) |
110 +------------------------------------+
| Next Record Offset (2) |
112 +------------------------------------+
| "supremum\0" (8) |
120 +------------------------------------+
Record
记录头信息如下。
094 +------------------------------------+
| Info Flags (4 bits) |
+------------------------------------+
| Number of Records Owned (4 bits) |
095 +------------------------------------+
| Order (13 bits) |
+------------------------------------+
| Record Type (3 bits) |
097 +------------------------------------+
| Next Record Offset (2) |
099 +------------------------------------+
| "infimum\0" (8) |
107 +------------------------------------+
| Info Flags (4 bits) |
+------------------------------------+
| Number of Records Owned (4 bits) |
108 +------------------------------------+
| Order (13 bits) |
+------------------------------------+
| Record Type (3 bits) |
110 +------------------------------------+
| Next Record Offset (2) |
112 +------------------------------------+
| Next Record Offset (2) |
N +------------------------------------+
其中 index page body 由 5 部分组成：body header、recorders、free recorders、free heap 和 page directory，其中 body header 的结构定义如下：
实践
如上，介绍了 InnoDB 存储的数据格式，接下来实际查看下；本文中在测试的时候，使用的工具可以参考 innodb_ruby 。
----- 新建表
mysql> create table test.foobar (id int);
Query OK, 0 rows affected (0.05 sec)
----- 新建之后，直接查看状态
$ innodb_space -f test/foobar.ibd space-page-type-regions
start end count type
0 0 1 FSP_HDR
1 1 1 IBUF_BITMAP
2 2 1 INODE
3 3 1 INDEX
4 5 2 FREE (ALLOCATED)
此时，只分配了标准的空间页，总共 6 Pages，包括了 FSP_HDR、IBUF_BITMAP、INODE、ROOT INDEX page，而且还有两个已经分配的未使用的页。
参考
关于 InnoDB 的文件格式，详细内容可以参考 Jeremy Cole 的一系列文章 InnoDB internals, structures, and behavior ，对文件存储格式讲解的十分详细。