MySQL的B+树如何存储主键和数据？

一、前言

      文章的起源是一位网友的评论，问的问题比较犀利且分散。借着这个机会研究下这些问题，分别作答一下。

这里是网友的提问：

二、正式作答部分

      这里分析完这个网友的提问之后，可以大致分为4个问题来回答，下面分别尝试作答一下，有不正确的地方欢迎大家留言讨论~

1、关于B+树的非叶子节点存储问题

（1）B+树的大致结构

      由图片可以看到，innodb中的B+树，非叶子节点主要是存储主键的记录值，按照主键的大小顺序排成一个单向链表。

      叶子节点是存放用户数据的，页内数据根据用户记录的主键大小排列成的单向链表。而页和页之间是根据主键大小顺序排成一个双向链表。

（2）模拟计算下B+树存储的数据量

      我们这里计算下，假设非叶节点不同元素占用情况为：下一条记录指针占4Byte，id值8Byte，目标记录指针4Byte，那么一个4Kb的磁盘块将大致可以容纳250个下级指针。

我们假设，一个4kb的磁盘块可以容纳100条数据(用户的实际数据)：

• 如果B+树只有1层，也就是只有1个用于存放用户记录的节点，最多能存放100条记录。

• 如果B+树有2层，最多能存放250×100=2.5W条记录。

• 如果B+树有3层，最多能存放250×250×100=625W条记录。

（3）网友的问题答案

      原来的计算方式确实是不严谨的，只有非叶子节点才会存有叶子节点的页记录，也就是所谓的“下级指针”。实际的存储方式应该是这篇重写的部分。

2、磁盘IO次数计算问题

（1）什么是一次IO

      每次IO其实是磁盘控制器向磁盘发出一次读/写指令，给出开始扇区的地址和向后连续读/写的扇区的个数。控制器发出的这种指令＋数据，就是一次IO，读或者写。

（2）IO次数的计算

      首先要明确，我们每次IO都是读取数据到内存中进行一些计算。当我们遍历主键索引的B+树查找数据的时候，IO次数是近似于B+树的层数-1，因为根节点是一直在内存中的。

      基本上可以理解为，每次io都是在树的一层查找符合的id范围的页数据，通过对比页里面的最大最小主键来确定下层的查找范围。

3、磁盘预读以及如何保证每次都能拿到innodb的一页也就是16kb的数据

（1）磁盘预读

      预读其实就是利用了局部性原理，具体过程是：对于每个文件的第一个读请求，系统读入所请求的页面并读入紧随其后的少数几个页面（通常是三个页面），这时的预读称为同步预读。

      我们知道对大部分操作系统来说，磁盘的一页数据是4kb,那么算上预读的3页：

4kb(磁盘一页的大小) + 12kb(预读三个页面) = 16kb

（2）关于每次读取16kb数据

      这个16kb是innodb默认的页大小，为什么会有这个概念呢，因为当涉及到数据库读写的时候，规定数据库每次读写都是以16k为单位的，一次最少从磁盘中读取16KB的内容到内存中，一次最少把内存中的16KB内容刷新到磁盘中。

（3）磁盘io固定是每次读取4kb的吗

      答案明显不是的，io读取是可大可小的，具体看指令的内容，并不是每次只能读取固定的1页。比如上面解释一次io概念的时候，我们提到了指令，这个指令是类似于给出两个参数，第一个参数是要开始读取的扇区地址，第二个参数是要读取多少扇区。

      所以每次io的大小是根据指令来决定的，并不是每次只能读取磁盘的一页数据，也就是4kb。

（4）网友的问题

      主要是明确磁盘中的一页数据(4kb)和数据库innodb规定的一页数据(16kb),这两个的概念是不一样的。磁盘io的大小也是根据指令来规定的。对应数据库读写来说，会按照数据库的配置，每次最少读写一页数据，也就是16kb。

4、设置页大小为64kb，是否一次io就拿不到对应的数据了，需要多次io？

      其实这个问题上面已经给出了答案。设置innodb页大小为64kb之后，我们每次数据库的读写就必须操作64kb的数据了而已，和io次数没什么关系的。

     经过看文档，也没看到有说到64kb页大小有什么缺陷之类的，只知道会增大表空间上限：

InnoDB页面大小 最大表空间大小：

关于磁盘部分和io部分，这里也就不多做解释了。

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