MySQL 數據結構的詳細闡述

一、存儲引擎

MySQL 資料庫使用不同的存儲引擎來支持不同的需求，如性能、事務支持、並發性等。目前，MySQL 支持的存儲引擎有 MyISAM、InnoDB、Memory、CSV、Archive 等。下面介紹 MyISAM 存儲引擎的一些數據結構。

二、MyISAM

1. 數據文件

MyISAM 存儲引擎的數據文件由數據和索引兩部分組成。數據文件的命名規則為表名加上擴展名 .MYD，而索引文件的命名規則為表名加上擴展名 .MYI。

/*******************************************************************************
 MyISAM 數據文件格式
*******************************************************************************/
struct st_myisam_data_file_def
{
  uchar key_buff[MAX_KEY_LENGTH + 8];
  ulonglong records;
  uint    max_data_file_length;
  uint    data_file_length;
  uint    deleted_rows;
  uint    min_data_file_length;
  uint    auto_increment;
  uint    checksum;
  uchar   unused[3];
  uchar   concurrent;
  uchar   compressed;
};

2. 索引文件

MyISAM 的索引文件以 B+ 樹結構來保存索引，它將數據按鍵值大小排序。MySQL 採用的是定長記錄和變長記錄兩種索引方式。定長記錄的每一條記錄長度相等，變長記錄的每一條記錄長度都不相等。

/*******************************************************************************
 MyISAM 索引文件格式
*******************************************************************************/
struct st_myisam_index_def {
  uchar   unused1[8];
  ulonglong  key_length;
  uchar   keytype;
  uint   16 bit_key_parts;
  uint    key_parts;
  uchar   unused2[13];
  ulonglong  rec_per_key;
  ulonglong 16 start_key_file;
  ulonglong 16 end_key_file;
  uchar   unused3[4];
};

3. 數據緩衝區

MyISAM 存儲引擎通過緩存管理器（cache manager）來緩存數據和索引。數據緩衝區實現了哈希表來優化檢索速度。

/*******************************************************************************
 MyISAM 數據緩衝區格式
*******************************************************************************/
struct st_myisam_key_cache {
  KEY_CACHE hash[MAX_CACHE_BLOCKS];
  uchar   *data_memory;
  uchar   *key_memory;
  size_t   mem_root;
  size_t   pre_alloc_blocks;
  ulonglong  block_length;
  uint    block_size;
  uint    key_cache_id;
};

三、InnoDB

1. 數據文件

InnoDB 存儲引擎的數據文件由數據和索引兩部分組成。數據文件的命名規則為表名加上擴展名 .ibd。與 MyISAM 不同的是，InnoDB 將數據和索引都存儲在一個數據文件中。

/*******************************************************************************
 InnoDB 數據文件格式
*******************************************************************************/
struct Fil_header {
  ulint   state;  
  ulint   space_id;   
  ulint   size;   
  ulint   page_size;   
  ulint   zip_size; 
...
};

2. 數據頁

InnoDB 存儲數據的基本單位是頁（page），頁的大小默認為 16KB。InnoDB 存儲引擎使用了 B+ 樹搜索演算法來管理數據頁，在同一索引樹上只有一個小範圍鎖。

/*******************************************************************************
 InnoDB 數據頁格式
*******************************************************************************/
struct page_header_t {
  page_t:unsigned magic_n:16;  /* Magic number */
  page_t:unsigned ofs_n:16;    /* Offset to page directory end */
  page_t:unsigned next:32;     /* Next page */
  page_t:unsigned prev:32;     /* Previous page */
  page_t:unsigned btr_seg_leaf:32; 
  page_t:unsigned free_offset:16;  /* Start of the free list in bytes */
  page_t:unsigned garbage_offset:16;  /* Start of garbage in bytes */
  page_t:unsigned n_directions:16;  /* Number of FSEG "directions" */
  page_t:unsigned heap_top:32;  /* Address of highest heap byte */
  page_t:unsigned reserved_3:2;
  page_t:unsigned heap_no:14;  /* Current heap number */
  page_t:unsigned trx_id:32;  /* Rollback segment id */
  page_t:unsigned trx_offset: 14; /* Rollback segment header offset */
  page_t:unsigned file_page_offset: 18;  
  page_t:unsigned zip_size: 24;
  page_t:unsigned space_id: 26;
  page_t:unsigned reserved_4: 6;
  page_t:unsigned page_zip: 1;
 ...  
};

3. 事務處理機制

為了支持事務，InnoDB 存儲引擎引入了 MVCC（多版本並發控制）機制。MVCC 使多個事務可以同時讀取同一行記錄，同時允許事務並發地進行修改操作。

/*******************************************************************************
 InnoDB 事務處理機制
*******************************************************************************/
struct trx_sys_t
{
  trx_id_t    max_trx_id; 
  trx_id_t    purge_trx_id;   
  ulint     max_trx_undo_size;
};

4. 共享表空間

InnoDB 存儲引擎可以使用單一的共享表空間（Table Space），將多個表的數據和索引存儲在一個文件中，這種方式使得表與表之間的數據互相獨立，可靠性更高。

/*******************************************************************************
 InnoDB 共享表空間格式
*******************************************************************************/
struct tablespace_t
{
  space_t   *space;
  ib_string   file_path;
  ib_string   name;
  ulint     flags;
  srv_minor_ver_t  frm_ver;
};

四、總結

MySQL 資料庫的數據結構非常複雜，本文只粗略地介紹了 MyISAM 和 InnoDB 存儲引擎的一些數據結構。在使用 MySQL 資料庫時，需要根據具體的需求選擇合適的存儲引擎。同時，也需要了解每個存儲引擎的數據結構，以便更好地進行資料庫設計和性能優化。