一、快速走进索引页结构
在 InnoDB 存储引擎的架构体系中，数据的存储与管理犹如一座规划精妙、运转有序的城市。在这座数据的城市里，每一块面积为 16KB 的存储区域都被赋予了一个特定的名称 ——“页”（Page）。这些页构成了整个数据存储体系的核心基础设施，其中最为关键的当属 “索引页”（INDEX 页）。索引页承担着存储表中实际记录数据的重要职责，故而也被形象地称作 “数据页”（Data Page）。
（一）整体展示说明
索引页宛如城市里的一栋多层大厦，它不仅肩负着存储数据的重任，还需具备高效的数据检索能力。为达成这一目标，InnoDB 采用了高效的 B+ 树结构，而每个索引页就相当于这棵 B+ 树上的一个节点。
索引页的大小被固定设置为 16KB，这一大小是经过精心优化的。一方面，它能有效利用磁盘空间，避免不必要的空间浪费；另一方面，在内存中对其进行读取操作时也能够快速完成，极大地提升了数据处理的效率。以下为您展示索引页的整体情况：
在这座宛如大厦的索引页里，各个组成部分分工明确、协同运作，全力保障数据实现高效存储与快速访问。其中，File Header 犹如大厦的门卫，严格把控着进出信息，负责对页面的基本信息进行管理；Page Header 则好比楼层管理员，承担着记录页面状态与统计信息的重要职责；Infimum 和 Supremum 恰似大厦的地基与天花板，为整个页面的数据记录划定了边界；User Records 就像是大厦里的居民，是真正存储在页面中的实际数据；Free Space 宛如预留的空房间，为后续新数据的插入预留了存储空间；Page Directory 如同大厦的导航系统，能帮助快速定位到所需的数据记录；File Trailer 则类似安防系统，用于校验页面的完整性，确保数据在存储和传输过程中未出现损坏。
（二）内容说明
File Header（文件头部）
占用空间
文件头部占用 38 字节的存储空间，其中存储着页的一些基础信息，具体如下：
- Page Type（页类型）：用于明确标识该页的具体类型，例如数据页或者索引页等。
- Page Number（页号）：作为当前页在表空间中的唯一编号，能精准定位该页在整个表空间中的位置。
- Checksum（校验和）：主要功能是在页的读写过程中，对其完整性进行检测，防止数据出现损坏或错误。
为了更形象地理解文件头部的作用，我们可以将其类比为办公楼的铭牌。办公楼的铭牌会清晰记录大楼的基本信息以及身份标识，方便人们快速识别和了解大楼的相关情况。同样，文件头部记录的这些基础信息，也能让系统快速识别和管理每一个页。
Page Header（页面头部）
占用空间
页面头部占用 56 字节的存储空间，其中包含了数据页特有的相关信息，具体如下：
- Number of Records（记录数量）：该字段记录了当前页中所存储的记录总数，可帮助系统快速了解页面的数据存储规模。
- Free Space Pointer（空闲空间指针）：此指针指向页中首个可用的空闲空间位置，便于系统在需要插入新记录时，能迅速定位到可利用的空间。
- Heap Top（堆顶位置）：它记录了当前页中数据存储的最高位置，有助于系统清晰掌握页面的数据存储边界。
- Page Level（页级别）：用于表示当前页在 B+ 树中所处的层级，这对于数据库进行高效的索引查找和数据检索至关重要。
为了更直观地理解页面头部的作用，我们可以将其类比为大楼的管理办公室。大楼的管理办公室会详细记录楼内的各类管理信息，例如有多少办公室处于空闲状态等。同样，页面头部记录的这些信息，也为数据库系统对数据页的管理和操作提供了关键依据。
Infimum + Supremum（最小记录和最大记录）
占用空间
这两个虚拟记录共占用 26 字节的存储空间，它们的主要作用是明确页中记录的范围，具体如下：
- Infimum Record（最小记录）：这是一个具有特殊意义的最小记录，其功能在于标记页的起始位置，为页内记录的排序和查找提供了明确的起点。
- Supremum Record（最大记录）：同样是一个特殊的记录，它代表着页内的最大记录，用于标记页的结束位置，有助于系统清晰界定页内记录的边界。
为了更形象地理解这两个虚拟记录的作用，我们可以将它们类比为大楼的基础和屋顶。大楼的基础是整栋建筑的起始支撑点，而屋顶则标志着大楼的最高点和结束边界。与之类似，Infimum Record 和 Supremum Record 分别标示了页的起点和终点，确保了页内记录的有序存储和高效管理。
User Records（用户记录）
占用空间
实际存储的用户数据记录所占用的空间大小并不固定。这些记录包含以下两个关键部分：
- Record Header（记录头部）：其中存储着记录的元数据，例如记录的长度以及指向下一条记录的指针。这些元数据对于系统管理和定位记录起着至关重要的作用。
- Record Data（记录数据）：这部分是真正的数据内容，涵盖了各个字段的值，是用户数据的核心体现。
为了更形象地理解这些用户数据记录，我们可以将其类比为实际的办公室。在办公室里，员工们正专注地工作，而办公室就如同用户数据记录，里面详细记录着具体的数据内容，是整个数据体系中实际承载信息的地方。
Free Space（空闲空间）
占用空间
空闲空间的占用大小并不固定，它主要用于存储新插入的数据记录。随着记录不断插入到页中，空闲空间会逐渐减少。具体的使用情况如下：
- Insertions（插入操作）：当有新的记录需要插入时，数据库系统会在空闲空间区域内寻找合适的位置来存放新记录。
- Deletions（删除操作）：若有记录被删除，其所占用的空间会被释放并重新归入空闲区域，以便后续新记录使用。
为了更形象地理解空闲空间的作用，我们可以将其类比为尚未出租的办公室。这些办公室处于闲置状态，等待未来新员工（数据）的入驻，具有很强的灵活性和扩展性。
Page Directory（页面目录）
占用空间
页面目录所占用的空间大小并不固定，它包含了记录的相对位置信息，主要用于实现对记录的快速检索。具体详情如下：
- Directory Slots（目录槽）：这些目录槽如同精准的指针，分别指向页中各个记录所在的位置。借助它们，系统能够方便、快捷地定位和检索到目标记录。
- Efficiency（效率优势）：页面目录的存在极大地提升了记录检索的效率。通过它，系统无需逐一遍历所有记录，就可以迅速定位到所需记录的位置。
为了更直观地理解页面目录的功能，我们可以将其类比为大楼的导览图。在大楼里，导览图能够帮助人们迅速找到特定的办公室（即数据记录），节省了大量的寻找时间，提高了办事效率。同样，页面目录在数据库中也为快速定位记录提供了便利，大大提升了数据检索的效率。
File Trailer（文件尾部）
占用空间
文件尾部占用 8 字节的存储空间，其中包含了用于验证页完整性的校验信息。具体而言：
- Checksum（校验和）：该字段的作用是再次对页的数据完整性进行验证，其目的在于确保数据在读写操作过程中没有受到破坏。无论是在数据写入磁盘时可能出现的错误，还是在从磁盘读取数据时可能产生的干扰，校验和都能通过特定的算法检测出来。
为了更形象地理解文件尾部校验信息的作用，我们可以将其类比为大楼的安保系统。大楼的安保系统时刻监控着大楼的各个方面，确保大楼的安全和完整性不受威胁。同样，文件尾部的校验信息就像数据库页的“安保系统”，守护着页内数据的完整与准确。
二、索引页与记录行的简单关系说明
在 InnoDB 中，数据页通过双向链表连接，每个数据页内的记录行按照主键值从小到大的顺序组成单向链表，并且每个数据页都有一个页目录用于快速定位记录。
查找记录时，先在页目录中使用二分法定位到特定槽，再在该槽对应的记录组中顺序遍历找到目标记录。通过这种设计，InnoDB 能够高效地管理和查找数据，确保数据库系统的高性能和可靠性。
（一）数据页的双向链表结构
在 InnoDB 存储引擎里，每个数据页都被巧妙地组织成一个双向链表。这一结构的独特之处在于，每个数据页都配备了指向前一个页和后一个页的指针，而这些指针以及页的基础信息均记录在 File Header 之中。
借助这种双向链表结构，InnoDB 能够极为便捷地开展数据页的插入、删除以及遍历操作。当需要插入新的数据页时，只需调整相关页的前后指针指向即可；进行删除操作时，同样通过修改指针来移除指定的数据页；在遍历数据页时，也能依据指针依次访问各个数据页。
这样的设计无疑为数据页之间的连接和管理提供了高效的解决方案，确保了数据在不同页之间能够有序流动和存储，提升了整个存储系统的性能和稳定性。
（二）记录行的单向链表结构
在 InnoDB 存储引擎的每个数据页中，记录行依据主键值从小到大的顺序，被精心组织成一个单向链表。这种有序的排列方式极大地提升了在数据页内查找记录的效率。每一条记录不仅承载着自身的业务数据，还持有指向下一条记录的指针，凭借这个指针，系统能够按照顺序依次遍历数据页中的所有记录。
每个数据页都配备了一个页目录，它可以被形象地视为数据页内部的索引结构。页目录会将数据页内的记录划分为多个组，每个组在页目录中都对应一个槽。借助页目录，InnoDB 能够迅速定位到特定记录所在的组，从而显著减少遍历记录所需的时间成本。
当需要通过主键查找某条特定记录时，InnoDB 会首先运用二分法在页目录中快速定位到对应的槽。页目录中的槽明确指向其对应的记录组，随后系统会在该组内顺序遍历记录，直至找到目标记录。这种查找过程巧妙地融合了二分查找和顺序遍历的优势，既保证了查找的高效性，又确保了查找结果的精确性。
三、InnoDB 数据页中的 User Records 与 Free Space
在 InnoDB 数据页里，User Records（用户记录）和 Free Space（空闲空间）这两部分的关系极为紧密。随着新记录持续不断地插入到数据页中，Free Space 部分的空间会逐步被分配给 User Records 部分用于存储新记录，直至 Free Space 被完全耗尽。
当一个数据页被填满后，InnoDB 会主动申请一个新的数据页，并把这个新的数据页链接到现有的双向链表之中，从而继续存储后续的新记录。具体来说，在数据页尚未填满之前，数据的存储操作主要发生在 User Records 和 Free Space 这两个区域；而当数据页填满之后，新记录的存储就会延伸到双向链表中的其他数据页上。
（一）页满前的处理
初始状态
- User Records：初始为空，没有实际数据存储。
- Free Space：占据大部分页空间，等待新记录的插入。
存储过程
- 记录插入：当用户发起插入一条记录的操作时，系统会从 Free Space（空闲空间）部分分配出一块大小合适的区域，专门用于存储这条新记录。随后，这条记录会被完整地存储到 User Records（用户记录）部分。
- 空间调整：随着不断有新记录插入，User Records 部分的空间会逐渐扩大，从而能够容纳越来越多的用户数据。与此同时，Free Space 部分的可用空间会持续减少，逐渐被 User Records 部分所 “蚕食”。
- 页满状态：当 Free Space 部分的空间被全部用完，整个数据页都被 User Records 部分占据时，这就表明该数据页已满，无法再继续存储新的记录了。
（二）页满后的处理
当数据页内的 Free Space（空闲空间）部分被 User Records（用户记录）部分完全占据后，就标志着该数据页已达到饱和状态。此时，InnoDB 存储引擎会自动触发以下一系列操作：
申请新的数据页： 数据库引擎会在表空间里开辟一个新的数据页，为后续新记录的存储提供空间，保证数据存储的连续性。
更新链表指针：新申请的数据页将被无缝接入现有的数据页双向链表中。通过精确更新链表指针，确保各个数据页之间能够保持有序且连贯的连接，维护数据页在链表结构中的逻辑顺序。
维护 B+ 树结构： 若该数据页为索引页，InnoDB 会对 B+ 树结构进行相应的调整与维护。通过插入新的数据页到 B+ 树的合适位置，保证 B+ 树的平衡性和有序性，进而维持索引查询的高效性。