本篇文章针对 InnoDB 引擎展开讨论。一个 InnoDB 表包含两部分,即:表结构定义和数据。在 MySQL 8.0 版本以前,表结构是存在以.frm 为后缀的文件里。而 MySQL 8.0 版本,则已经允许把表结构定义放在系统数据表中了。因为表结构定义占用的空间很小,所以今天主要讨论的是表数据。

参数 innodb_file_per_table

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:

  1. 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;

  2. 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。一个表单独存储为一个文件更容易管理,而且在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,下面的讨论都是基于这个设置展开的。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,这时就遇到了我们文章标题的问题:表中的数据被删除了,但是表空间却没有被回收。

要彻底搞明白这个问题的话,就要从数据删除流程说起了。

数据删除流程

先再来看一下 InnoDB 中一个索引的示意图。InnoDB 里的数据都是用 B+ 树的结构组织的。

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

我们已经知道,InnoDB的数据是按照页存储的,那么如果我们删掉了一个数据页上的所有记录,会怎么样?答案是,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。以图 1 为例,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。

对于另外一种情况: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,如果用 delete 命令把整个表的数据删除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。

现在知道了,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。这些可以复用,而没有被使用的空间,看起来就像是“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

假设图 1 中 page A 已经满了,这时要再插入一行数据:

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

如果现在有一个表 A,需要做空间收缩,为了把表中存在的空洞去掉,应该怎么做呢?

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,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。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。

简单描述一下引入了 Online DDL 之后,重建表的流程:

  1. 建立一个临时文件,扫描表 A 主键的所有数据页;

  2. 用数据页中表 A 的记录生成 B+ 树,存储到临时文件中;

  3. 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;

  4. 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;

  5. 用临时文件替换表 A 的数据文件。

与第一种重建表过程过程的不同之处在于,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。DDL 之前是要拿 MDL 写锁的,这样还能叫 Online DDL 吗?

在第二种重建表的流程中,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。写锁下其他线程不能进行增删改查

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。

什么是MDL锁?

即元数据锁

​​​​​​​

Online 和 inplace

说到 Online,有另一个跟 DDL 有关的、容易混淆的概念 inplace 的区别。

在第一种的重建表图中,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。

在第二种重建表图中,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

所以现在问你,如果有一个 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。

使用 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)默认的就是上面第二种重建表的流程了;
  • 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。

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