数据库内核月报－ 2016/08 - MySQL · 专家投稿 · InnoDB物理行中null值的存储的推断与验证 - 《数据库内核月报》

前言
本文约定
所用工具
测试数据
- 表结构
- 表内数据
分析数据
假设
深度剖析
栗子验证
结论

前言

想写这边文章，是因为之前想写一个解析innodb ibd文件的工具，在写这个工具的过程中，发现逻辑记录转物理记录的转换中，最难的有两部分，一是每行每字段null值占用的字节和存储，二是变长字段占用的字节和存储的格式。本文中重点针对第一种情况。之前看有关介绍compact行记录格式:

变长字段之后的第二个部分是NULL标志位，该位指示了该行数据中是否有NULL值，有则用1表示。该部分所占字节为1字节 —–《InnoDB存储引擎》

之后便思考是否不管有多少个列都是NULL，该部分都只占1个字节呢？便有了如下测试

本文约定

逻辑记录:record (元组) 物理记录:row(行) 只讨论compact行格式

所用工具

自己python写的工具innodb_extract

测试数据

表结构


1. localhost.test>desc null_test;
2. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
3. | Field            | Type         | Null | Key | Default | Extra          |
4. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
5. | id               | bigint(20)   | NO   | PRI | NULL    | auto_increment |
6. | name             | varchar(20)  | YES  |     | NULL    |                |
7. | legalname        | varchar(25)  | YES  |     | NULL    |                |
8. | industry         | varchar(10)  | YES  |     | NULL    |                |
9. | province         | varchar(10)  | YES  |     | NULL    |                |
10. | city             | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
11. | size             | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
12. | admin_department | varchar(128) | YES  |     | NULL    |                |
13. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
14. 8 rows in set (0.00 sec)

表内数据


1. +----+------+-----------+----------+----------+------+------+------------------+
2. | id | name | legalname | industry | province | city | size | admin_department |
3. +----+------+-----------+----------+----------+------+------+------------------+
4. |  1 | NULL | NULL      | NULL     | NULL     | NULL | NULL | NULL             |
5. |  2 | TOM  | NULL      | NULL     | NULL     | NULL | NULL | NULL             |
6. |  3 | ALEX | NULL      | NULL     | NULL     | NULL | NULL | HR               |
7. +----+------+-----------+----------+----------+------+------+------------------+
8. 3 rows in set (0.00 sec)

分析数据

通过工具看三行数据


1. #  python innodb_extract.py null_test.ibd
2. infimum
3. 7f 000010001c 8000000000000001 0000f1e27b17 b5000001680084
4. 1
5. 7e 0000180020 8000000000000002 0000f1e27b17 b5000001680094 544f4d

7. 2   TOM
8. 3e 000020ffb6 8000000000000003 0000f1e27b17 b50000016800a4 414c4558 4852

10. 3   ALEX      HR

第一行: null标志位:0x7f (01111111) 说明:从右向左方向写，一共7个null值 record header:000010001c Transaction Id:0000f1e27b17 Roll Pointer:b5000001680084 数据:

第二行: null标志位:0x7e (01111110) 说明：除第二列，其余均是null值 record header:0000180020 Transaction Id:0000f1e27b17 Roll Pointer:b5000001680084 数据: 第二列:544f4d => TOM

第三行: null标志位:0x3e (00111110) 说明:除了第2列和第8列，其余均是null值 record header:000020ffb6 Transaction Id:0000f1e27b17 Roll Pointer:b5000001680084 数据: 第二列:414c4558 => ALEX 第八列:4852 => HR

假设

继续上面，如果包含Null值的字段是8个，或者9个会是怎样？

深度剖析

代码片段，该函数将物理记录转化为逻辑记录，版本5.5.31,源文件rem0rec.c，


1. rec_convert_dtuple_to_rec_comp(
2. /*===========================*/
3. rec_t*            rec,    /*!< in: origin of record */
4. const dict_index_t*    index,    /*!< in: record descriptor */
5. const dfield_t*        fields,    /*!< in: array of data fields */
6. ulint            n_fields,/*!< in: number of data fields */
7. ulint            status,    /*!< in: status bits of the record */
8. ibool            temp)    /*!< in: whether to use the
9. format for temporary files in
10. index creation */
11. {
12. const dfield_t*    field;
13. const dtype_t*    type;
14. byte*        end;
15. byte*        nulls;
16. byte*        lens;
17. ulint        len;
18. ulint        i;
19. ulint        n_node_ptr_field;
20. ulint        fixed_len;
21. ulint        null_mask    = 1;
22. ut_ad(temp || dict_table_is_comp(index->table));
23. ut_ad(n_fields > 0);

25. if (temp) {
26. ut_ad(status == REC_STATUS_ORDINARY);
27. ut_ad(n_fields <= dict_index_get_n_fields(index));
28. n_node_ptr_field = ULINT_UNDEFINED;
29. nulls = rec - 1;
30. if (dict_table_is_comp(index->table)) {
31. /* No need to do adjust fixed_len=0. We only
32. need to adjust it for ROW_FORMAT=REDUNDANT. */
33. temp = FALSE;
34. }
35. } else {
36. nulls = rec - (REC_N_NEW_EXTRA_BYTES + 1);

38. switch (UNIV_EXPECT(status, REC_STATUS_ORDINARY)) {
39. case REC_STATUS_ORDINARY:
40. ut_ad(n_fields <= dict_index_get_n_fields(index));
41. n_node_ptr_field = ULINT_UNDEFINED;
42. break;
43. case REC_STATUS_NODE_PTR:
44. ut_ad(n_fields
45. == dict_index_get_n_unique_in_tree(index) + 1);
46. n_node_ptr_field = n_fields - 1;
47. break;
48. case REC_STATUS_INFIMUM:
49. case REC_STATUS_SUPREMUM:
50. ut_ad(n_fields == 1);
51. n_node_ptr_field = ULINT_UNDEFINED;
52. break;
53. default:
54. ut_error;
55. return;
56. }
57. }

59. end = rec;
60. lens = nulls - UT_BITS_IN_BYTES(index->n_nullable);
61. /* clear the SQL-null flags */
62. memset(lens + 1, 0, nulls - lens);

结合COMPACT row格式来看:


1. row记录格式如下:

3. |---------------------extra_size-----------------------------------------|---------fields_data------------|
4. |--columns_lens---|---null lens----|------fixed_extrasize(5)-------------|--col1---|---col2---|---col2----|
5. |end<--------begin|end<-------beign|-------------------------------------|orgin---------------------------|

先看nulls = rec - (REC_N_NEW_EXTRA_BYTES + 1) rec为记录开始的offset，也就是,extrasize也就是固定长度的record header的长度。注意null标志位和变长字段长度列表是从右->左的方向写的(原因可参见下部分代码)。所以nulls指向的是null lens后一字节开始的位置。
再看lens = nulls - UT_BITS_IN_BYTES(index->n_nullable) index->n_nullable指的是表结构中定义can be null的字段的个数，一个字段用一个bit来标记，UT_BITS_IN_BYTES将占用bit数转为占用的字节数。所以lens指向的是column_lens后面一个字节的位置，即跳过了Null标志的占用的空间，同样在写入值的时候也是从后面向前面写。
memset(lens + 1, 0, nulls - lens) 将nulls空间清零。

之后就是遍历每一个字段，先对定义了can be null字段进行处理


1. /* Store the data and the offsets */

3. for (i = 0, field = fields; i < n_fields; i++, field++) {
4. const dict_field_t*    ifield;

6. type = dfield_get_type(field);
7. len = dfield_get_len(field);

9. if (UNIV_UNLIKELY(i == n_node_ptr_field)) {
10. ut_ad(dtype_get_prtype(type) & DATA_NOT_NULL);
11. ut_ad(len == REC_NODE_PTR_SIZE);
12. memcpy(end, dfield_get_data(field), len);
13. end += REC_NODE_PTR_SIZE;
14. break;
15. }

17. if (!(dtype_get_prtype(type) & DATA_NOT_NULL)) {
18. /* nullable field */
19. ut_ad(index->n_nullable > 0);

21. if (UNIV_UNLIKELY(!(byte) null_mask)) {
22. nulls--;
23. null_mask = 1;
24. }

因为方向是从右向左写，也就是从后往前写，如果该字段为null，则将null标志位设为1并向前移1位，如果满了8个，也就是有8个字段都为null则offset向左移1位，并将null_mask置为1

从这段代码看出之前的猜想，也就是并不是Null标志位只固定占用1个字节==，而是以8为单位，满8个null字段就多1个字节，不满8个也占用1个字节，高位用0补齐


1. ut_ad(*nulls < null_mask);

3. /* set the null flag if necessary */
4. if (dfield_is_null(field)) {
5. *nulls |= null_mask;
6. null_mask <<= 1;
7. continue;
8. }

10. null_mask <<= 1;
11. }

这段代码是就是设置null字段与null标志位的映射关系，如果字段为null，则设置标志位为1。

栗子验证

翻过来再看之前的例子，我们逐步的添加字段并设置default null看下null标志位的变化

step 1，添加两个并设置default null


1. localhost.test>alter table null_test add column `kind` varchar(15) DEFAULT NULL after `size`;
2. Query OK, 3 rows affected (0.09 sec)
3. Records: 3  Duplicates: 0  Warnings: 0

5. localhost.test>alter table null_test add column licenseno varchar(15) DEFAULT NULL after `kind`;
6. Query OK, 3 rows affected (0.11 sec)
7. Records: 3  Duplicates: 0  Warnings: 0.11

那么理论来讲，第一行数据有9个null列了。满8个null列之后，继续向左写移，写1个bit之后开始占据两个字节。我们通过工具解析之后看下


1. #  python innodb_extract.py null_test.ibd
2. 01ff 000010001d 8000000000000001 0000f1e27c81 980000028c0084
3. 1
4. 01fe 0000180021 8000000000000002 0000f1e27c81 980000028c0094 544f4d
5. 2   TOM
6. 00fe 000020ffb3 8000000000000003 0000f1e27c81 980000028c00a4 414c455848
7. 3   ALEX        HR

第一行null标志位变为0x01ff,即00000001 11111111一共有9个null字段，满了8位之后，继续向前占1个字节从右往左继续写同理，第二行0x01fe,即00000001 11111110 第三行0x00fe,00000000 11111110

再继续添加8个字段并设置default null


1. localhost.test>desc null_test;
2. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
3. | Field            | Type         | Null | Key | Default | Extra          |
4. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
5. | id               | bigint(20)   | NO   | PRI | NULL    | auto_increment |
6. | name             | varchar(20)  | YES  |     | NULL    |                |
7. | legalname        | varchar(25)  | YES  |     | NULL    |                |
8. | industry         | varchar(10)  | YES  |     | NULL    |                |
9. | province         | varchar(10)  | YES  |     | NULL    |                |
10. | city             | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
11. | size             | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
12. | kind             | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
13. | licenseno        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
14. | admin_department | varchar(128) | YES  |     | NULL    |                |
15. | null_col1        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
16. | null_col2        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
17. | null_col3        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
18. | null_col4        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
19. | null_col5        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
20. | null_col6        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
21. | null_col7        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
22. | null_col8        | varchar(15)  | YES  |     | NULL    |                |
23. +------------------+--------------+------+-----+---------+----------------+
24. 18 rows in set (0.00 sec)

最多Null字段的第一行目前有个17个null字段，对应17个Null bit


1. root@hebe211 ibd]#  python innodb_extract.py null_test.ibd

3. 01ffff 000010001e 8000000000000001 0000f1e27cce c60000017600840301fffe0000
4. 1
5. 01fffe 0000180022 8000000000000002 0000f1e27cce c6000001760094 544f4d
6. 2   TOM
7. 01fefe 000020ffb0 8000000000000003 0000f1e27cce c60000017600a4 414c45 5848
8. 3   ALEX        HR

第一行null标志位变为0x01ff,即00000001 11111111 11111111 一共有17个null字段，满了两个8位之后，继续向前占1个字节从右往左继续写同理，第二行0x01fe,即00000001 11111111 11111110 第三行0x00fe,00000001 11111110 11111110

结论

允许null的字段需要额外的空间来保存字段Null到null标志位映射的对应关系，所以保存这个映射关系的null标志位长度并不是固定的。也就是null字段越多并不是越省空间。实际生产环境中应尽量减少can be null的字段。

作者介绍赵晨@微博研发中心, 微博：@fiona514

原文：http://mysql.taobao.org/monthly/2016/08/07/