Tablespace

我们平时创建的那些表都是有对应的表空间的，每个表空间就是对应了磁盘上的数据文件，在表空间里有很多组数据区，一组数据区是256个数据区，每个数据区包含了64个数据页，是1mb

表空间的第一组数据区的第一个数据区的头三个数据页，都是存放特殊信息的；表空间的其他组数据区的第一个数据区的头两个数据页，也都是存放特殊信息的

表空间（tablespace）有一个32位的spaceid，用户表空间物理上是由page连续构成的，每个page的序号是一个32位的uint，page 0位于文件物理偏移量0处，page 1位于16384偏移量处。由此推出InnoDB单表最大2^32 * 16k = 64T。

表的所有行数据都存在页类型为INDEX的索引页（page）上，为了管理表空间，还需要很多其他的辅助页，例如文件管理页FSP_HDR/XDES、插入缓冲IBUF_BITMAP页、INODE页等

Tablespace可以分为5大类，分别是：System Tablespace，File-Per-Table Tablespaces，General Tablespaces，Undo Tablespaces, Temporary Tablespace 。

表空间、数据页和表,行的区别

表、列和行，都是逻辑概念,，表空间、数据页，是物理上的概念，在物理层面，表里的数据都放在一个表空间中，表空间是由一堆磁盘上的数据文件组成的，这些数据文件里都存放了表里的数据，这些数据是由一个一个的数据页组织起来的，这些都是物理层面的概念。

System Tablespace

system表空间是InnoDB数据字典、double write buffer、change buffer和undo log的存储区域。如果表是在系统表空间中创建的，而不是在文件表或普通表空间中创建的，那么它还可能包含表和索引数据。

系统表空间可以有一个或多个数据文件。默认情况下，在data目录中创建一个名为ibdata1的系统表空间数据文件

由于系统表空间可以存储多张表，因此，其为一个共享表空间。系统表空间由一个或多个数据文件组成，默认情况下，其包含一个叫ibdata1的系统数据文件，位于mysql 数据目录（datadir）下。系统表空间数据文件的位置、大小和数目由innodb_data_home_dir和innodb_data_file_path启动选项控制。

innodb_file_per_table

如果你想让每一个数据库表都有一个单独的表空间文件的话，可以通过参数innodb_file_per_table设置。

这个参数只有在MySQL5.6或者是更高的版本中才可以使用。

可以通过配置文件


[mysqld]
innodb_file_per_table=ON

也可以通过命令

mysql> SET GLOBAL innodb_file_per_table=ON;

一个表对应一个独立的文件，文件以db_name/table_name.ibd命名。行存储在这类文件。另外还有5.7之后引入General Tablespace，可以将多个表放到同一个文件里面。

General Tablespaces

通用表空间（General Tablespaces） 通用表空间为通过create tablespace语法创建的共享表空间。通用表空间可以创建于mysql数据目录外的其他表空间，其可以容纳多张表，且其支持所有的行格式。通过create table tab_name ... tablespace [=] tablespace_name或alter table tab_name tablespace [=] tablespace_name语法将其添加与通用表空间内。

undo tablespace

undo表空间（undo tablespace） undo表空间由一个或多个包含undo日志的文件组成。innodb_undo_tablespace配置选项控制undo表空间的数目。undo表空间创建于innodb_undo_directory配置选项确定的位置，该选项典型被用于将undo日志放于不同的存储设备上。如果该选项没有确定任何路径，undo表空间则被默认创建于mysql数据目录（datadir）下。

temporary Tablespace

用户创建的临时表和磁盘内部临时表创建于共享临时表空间中。innodb_temp_data_file选项确定临时表空间数据文件的相对路径、名字、大小和属性等。如果该选项未确定任何值，默认情况下，系统将在 innodb_data_home_dir确定的目录下创建一个叫ibtmp1的自动扩展的数据文件，该文件将稍大于12m。 mysql服务器正常关闭或异常终止初始化时，临时表空间将被移除，并且，mysql服务器每次启动时会被重新创建。当临时表空间被创建时，其被赋予一个动态产生的空间ID（space ID）。如果不能创建临时表空间， mysql服务器启动将被拒绝。mysql服务器异常终止的情况下，临时表空间将不被移除。

表空间空洞问题

表数据既可以存在共享表空间里，也可以是单独的文件。这个行为是由参数innodb_file_per_table控制的：

这个参数设置为OFF表示的是，表的数据放在系统共享表空间，也就是跟数据字典放在一起；

这个参数设置为ON表示的是，每个InnoDB表数据存储在一个以 .ibd为后缀的文件中。

从MySQL 5.6.6版本开始，它的默认值就是ON了。

我建议你不论使用MySQL的哪个版本，都将这个值设置为ON。因为，一个表单独存储为一个文件更容易管理，而且在你不需要这个表的时候，通过drop table命令，系统就会直接删除这个文件。而如果是放在共享表空间中，即使表删掉了，空间也是不会回收的。

所以，将innodb_file_per_table设置为ON，是推荐做法。

delete删除数据导致空洞

我们在删除整个表的时候，可以使用drop table命令回收表空间。但是，我们遇到的更多的删除数据的场景是删除某些行，这时就遇到了问题：表中的数据被删除了，但是表空间却没有被回收。

案例1

如下所示的索引结构。

假设，要删掉R4这个记录，InnoDB引擎只会把R4这个记录标记为删除。如果之后要再插入一个ID在300和600之间的记录时，可能会复用这个位置。但是，磁盘文件的大小并不会缩小。

InnoDB的数据是按页存储的，如果删掉了一个数据页上的所有记录，整个数据页就可以被复用了。

但是，数据页的复用跟记录的复用是不同的。

记录的复用，只限于符合范围条件的数据。比如上面的这个例子，R4这条记录被删除后，如果插入一个ID是400的行，可以直接复用这个空间。但如果插入的是一个ID是800的行，就不能复用这个位置了。

而当整个页从B+树里面摘掉以后，可以复用到任何位置。如果将数据页page A上的所有记录删除以后，page A会被标记为可复用。这时候如果要插入一条ID=50的记录需要使用新页的时候，page A是可以被复用的。

如果相邻的两个数据页利用率都很小，系统就会把这两个页上的数据合到其中一个页上，另外一个数据页就被标记为可复用。

进一步地，如果我们用delete命令把整个表的数据删除呢？结果就是，所有的数据页都会被标记为可复用。但是磁盘上，文件不会变小。

delete命令其实只是把记录的位置，或者数据页标记为了“可复用”，但磁盘文件的大小是不会变的。

也就是说，通过delete命令是不能回收表空间的。这些可以复用，而没有被使用的空间，看起来就像是“空洞”。

插入数据页分裂导致的空洞

实际上，不止是删除数据会造成空洞，插入数据也会。

如果数据是按照索引递增顺序插入的，那么索引是紧凑的。但如果数据是随机插入的，就可能造成索引的数据页分裂。

假设page A已经满了，这时我要再插入一行数据，会怎样呢？

可以看到，由于page A满了，再插入一个ID是550的数据时，就不得不再申请一个新的页面page B来保存数据了。页分裂完成后，page A的末尾就留下了空洞（注意：实际上，可能不止1个记录的位置是空洞）。

另外，更新索引上的值，可以理解为删除一个旧的值，再插入一个新值。不难理解，这也是会造成空洞的。

也就是说，经过大量增删改的表，都是可能是存在空洞的。所以，如果能够把这些空洞去掉，就能达到收缩表空间的目的。

而重建表，就可以达到这样的目的。

重建表

试想一下，如果你现在有一个表A，需要做空间收缩，为了把表中存在的空洞去掉，你可以怎么做呢？

你可以新建一个与表A结构相同的表B，然后按照主键ID递增的顺序，把数据一行一行地从表A里读出来再插入到表B中。

由于表B是新建的表，所以表A主键索引上的空洞，在表B中就都不存在了。显然地，表B的主键索引更紧凑，数据页的利用率也更高。如果我们把表B作为临时表，数据从表A导入表B的操作完成后，用表B替换A，从效果上看，就起到了收缩表A空间的作用。

这里，你可以使用alter table A engine=InnoDB命令来重建表。在MySQL 5.5版本之前，这个命令的执行流程跟我们前面描述的差不多，区别只是这个临时表B不需要你自己创建，MySQL会自动完成转存数据、交换表名、删除旧表的操作。

显然，花时间最多的步骤是往临时表插入数据的过程，如果在这个过程中，有新的数据要写入到表A的话，就会造成数据丢失。因此，在整个DDL过程中，表A中不能有更新。也就是说，这个DDL不是Online的。

Online DDL

而在MySQL 5.6版本开始引入的Online DDL，对这个操作流程做了优化。

我给你简单描述一下引入了Online DDL之后，重建表的流程：

建立一个临时文件，扫描表A主键的所有数据页；

用数据页中表A的记录生成B+树，存储到临时文件中；

生成临时文件的过程中，将所有对A的操作记录在一个日志文件（row log）中，对应的是图中state2的状态；

临时文件生成后，将日志文件中的操作应用到临时文件，得到一个逻辑数据上与表A相同的数据文件，对应的就是图中state3的状态；

用临时文件替换表A的数据文件。

可以看到，由于日志文件记录和重放操作这个功能的存在，这个方案在重建表的过程中，允许对表A做增删改操作。这也就是Online DDL名字的来源。

确实，上图的流程中，alter语句在启动的时候需要获取MDL写锁，但是这个写锁在真正拷贝数据之前就退化成读锁了。

为什么要退化呢？为了实现Online，MDL读锁不会阻塞增删改操作。

那为什么不干脆直接解锁呢？为了保护自己，禁止其他线程对这个表同时做DDL。

而对于一个大表来说，Online DDL最耗时的过程就是拷贝数据到临时表的过程，这个步骤的执行期间可以接受增删改操作。所以，相对于整个DDL过程来说，锁的时间非常短。对业务来说，就可以认为是Online的。

需要补充说明的是，上述的这些重建方法都会扫描原表数据和构建临时文件。对于很大的表来说，这个操作是很消耗IO和CPU资源的。因此，如果是线上服务，你要很小心地控制操作时间。如果想要比较安全的操作的话，我推荐你使用GitHub开源的gh-ost来做。

Online 和 inplace

说到Online，我还要再和你澄清一下它和另一个跟DDL有关的、容易混淆的概念inplace的区别。

你可能注意到了，改锁表DDL的图中，我们把表A中的数据导出来的存放位置叫作tmp_table。这是一个临时表，是在server层创建的。

在Online DDL中，根据表A重建出来的数据是放在“tmp_file”里的，这个临时文件是InnoDB在内部创建出来的。整个DDL过程都在InnoDB内部完成。对于server层来说，没有把数据挪动到临时表，是一个“原地”操作，这就是“inplace”名称的来源。

所以，我现在问你，如果你有一个1TB的表，现在磁盘间是1.2TB，能不能做一个inplace的DDL呢？

答案是不能。因为，tmp_file也是要占用临时空间的。

我们重建表的这个语句alter table t engine=InnoDB，其实隐含的意思是：


alter table t engine=innodb,ALGORITHM=inplace;

跟inplace对应的就是拷贝表的方式了，用法是：


alter table t engine=innodb,ALGORITHM=copy;

当你使用ALGORITHM=copy的时候，表示的是强制拷贝表，对应的流程就是改锁表DDL的图的操作过程。

但我这样说你可能会觉得，inplace跟Online是不是就是一个意思？

其实不是的，只是在重建表这个逻辑中刚好是这样而已。

比如，如果我要给InnoDB表的一个字段加全文索引，写法是：


alter table t add FULLTEXT(field_name);

这个过程是inplace的，但会阻塞增删改操作，是非Online的。

如果说这两个逻辑之间的关系是什么的话，可以概括为：

DDL过程如果是Online的，就一定是inplace的；

反过来未必，也就是说inplace的DDL，有可能不是Online的。截止到MySQL 8.0，添加全文索引（FULLTEXT index）和空间索引(SPATIAL index)就属于这种情况。

optimize table、analyze table和alter table这三种方式重建表的区别

从MySQL 5.6版本开始，alter table t engine = InnoDB（也就是recreate）默认的就是上面图4的流程了；

analyze table t 其实不是重建表，只是对表的索引信息做重新统计，没有修改数据，这个过程中加了MDL读锁

optimize table t 等于recreate+analyze

案例

假设现在有人碰到了一个“想要收缩表空间，结果适得其反”的情况，看上去是这样的：

一个表t文件大小为1TB；

对这个表执行 alter table t engine=InnoDB；

发现执行完成后，空间不仅没变小，还稍微大了一点儿，比如变成了1.01TB。

你觉得可能是什么原因呢

就是这个表，本身就已经没有空洞的了，比如说刚刚做过一次重建表操作。在DDL期间，如果刚好有外部的DML在执行，这期间可能会引入一些新的空洞。

在重建表的时候，InnoDB不会把整张表占满，每个页留了1/16给后续的更新用。也就是说，其实重建表之后不是“最”紧凑的。

假如是这么一个过程：

将表t重建一次；

插入一部分数据，但是插入的这些数据，用掉了一部分的预留空间；

这种情况下，再重建一次表t，就可能会出现问题中的现象。