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思考mysql内核之初级系列9---innodb动态数组的实现

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在上一篇，bingxi和alex聊了关于list的内容。在本篇里，bingxi和alex会聊到innodb的动态数组，也称为dyn。

  对应的文件为：

D:\mysql-5.1.7-beta\storage\innobase\include\dyn0dyn.h

D:\mysql-5.1.7-beta\storage\innobase\include\dyn0dyn.ic

D:\mysql-5.1.7-beta\storage\innobase\dyn\dyn0dyn.c

1)常用结构体

  Alex：“bingxi，我们前两篇聊了常用结构hash、list，这两个结构很常见。我们快要开始聊文件空间存储了，在那里面有一个常用结构，我们看一下fsp0fsp.c中函数，比如fsp_get_space_header函数，调用参数里面有mtr_t。

以下是代码片段：
/**************************************************************************
Gets a pointer to the space header and x-locks its page. */
UNIV_INLINE
fsp_header_t*
fsp_get_space_header(
/*=================*/
                     /* out: pointer to the space header, page x-locked */
       ulint id,   /* in: space id */
       mtr_t*     mtr) /* in: mtr */

  我们接着看一下mtr_struct的定义，在结构体的定义前一行，我们可以看到Mini-transaction，称为mini事务。用于锁信息、mtr日志信息。

以下是代码片段：
/* Mini-transaction handle and buffer */
struct mtr_struct{
       ulint        state;       /* MTR_ACTIVE, MTR_COMMITTING, MTR_COMMITTED */
       dyn_array_t    memo;    /* memo stack for locks etc. */
       dyn_array_t    log;  /* mini-transaction log */
       ibool              modifications;
                            /* TRUE if the mtr made modifications to
                            buffer pool pages */
       ulint        n_log_recs;
                            /* count of how many page initial log records
                            have been written to the mtr log */
       ulint        log_mode; /* specifies which operations should be
                            logged; default value MTR_LOG_ALL */
       dulint             start_lsn;/* start lsn of the possible log entry for
                            this mtr */
       dulint             end_lsn;/* end lsn of the possible log entry for
                            this mtr */
       ulint        magic_n;
};

  我们将要开始fsp0fsp.c的内容，为了便于内容的独立，会将mtr的内容先剥离，在讲完存储之后，会继续讲B树，然后会到事务。

”

  Bingxi：“alex，我赞同这一点。不过我认为还是把该结构体中的一个常用算法讲下，就是动态数组，mtr_t结构体中会有两个这样的结构成员：

以下是代码片段：
dyn_array_t    memo;    /* memo stack for locks etc. */
dyn_array_t    log;  /* mini-transaction log */

  所谓动态数组，就是一个动态的虚拟线性数组，数组的基本元素是byte，主要用于存放mtr的锁信息以及log。如果对于一个block数组不够存放时，需要增加新的block，每个block对应的存放数据字段的长度是固定的(默认值是512)，但是不一定会用完。假设已经用了500个字节，这时候需要继续存放18个字节的内容，就会在该块中存放不了，会产生一个新的block用于存放。从而前一个block使用值为500。

  我们先看了结构体的定义：

以下是代码片段：
typedef struct dyn_block_struct            dyn_block_t;
typedef dyn_block_t                    dyn_array_t;
……
/*#################################################################*/
 
/* NOTE! Do not use the fields of the struct directly: the definition
appears here only for the compiler to know its size! */
struct dyn_block_struct{
       mem_heap_t* heap;       /* in the first block this is != NULL 
                            if dynamic allocation has been needed */
       ulint        used;       /* number of data bytes used in this block */
       byte        data[DYN_ARRAY_DATA_SIZE];
                            /* storage for array elements */     
       UT_LIST_BASE_NODE_T(dyn_block_t) base;
                            /* linear list of dyn blocks: this node is
                            used only in the first block */
       UT_LIST_NODE_T(dyn_block_t) list;
                            /* linear list node: used in all blocks */
#ifdef UNIV_DEBUG
       ulint        buf_end;/* only in the debug version: if dyn array is
                            opened, this is the buffer end offset, else
                            this is 0 */
       ulint        magic_n;
#endif
};

  在这个结构体中，我们可以看到上一篇聊到的list结构，可以通过list查找prev、next。

  Alex，这里面就带来了一些问题：1) dyn_array_t与dyn_block_t是同样的定义，而一个动态数组只有一个首结点，那么UT_LIST_BASE_NODE_T(dyn_block_t) base成员是不是每个结构体都是有效的，2）一开始分配的时候只分配了一个结构体，也就是512字节的大小，如果不够用，则扩展了一个，插入到链表里面，链表成员是1个还是2个？3）使用的时候，如何判断一个block已经使用满了，比如前面我们说到一个情况：500个字节剩下了12个不够18个时候，产生了一个新的block，假设这时候要使用其中的10个字节，两个block都是符合，用哪个？如果用后一个，怎么标识前一个是满的。”

  Alex：“你的问题太多了，呵呵。我们先放下问题，看一下动态数组的初始化过程。这里面，我们还需要主意一点。虽然数据结构用的是同一个dyn_block_struct，但是我们称第一个节点为arr，表明这个是动态数据的头节点。其它的节点，我们称为block节点。

现在开始进行debug，在 mtr0mtr.ic文件中的mtr_start函数体内设置断点，这里也是动态数组创建的唯一入口，设置断点进行调试。

以下是代码片段：
/*******************************************************************
Starts a mini-transaction and creates a mini-transaction handle 
and a buffer in the memory buffer given by the caller. */
UNIV_INLINE
mtr_t*
mtr_start(
/*======*/
                     /* out: mtr buffer which also acts as
                     the mtr handle */
       mtr_t*     mtr) /* in: memory buffer for the mtr buffer */
{
    //会创建两个动态数组，在两个创建的任一个设置断点
       dyn_array_create(&(mtr->memo));
       dyn_array_create(&(mtr->log));
 
       mtr->log_mode = MTR_LOG_ALL;
       mtr->modifications = FALSE;
       mtr->n_log_recs = 0;
 
#ifdef UNIV_DEBUG
       mtr->state = MTR_ACTIVE;
       mtr->magic_n = MTR_MAGIC_N;
#endif
       return(mtr);
} 
          

  点击F11进入函数，查看动态数据的创建过程:

以下是代码片段：
/*************************************************************************
Initializes a dynamic array. */
UNIV_INLINE
dyn_array_t*
dyn_array_create(
/*=============*/
                            /* out: initialized dyn array */
       dyn_array_t*  arr)  /* in: pointer to a memory buffer of
                            size sizeof(dyn_array_t) */
{
       ut_ad(arr);
       ut_ad(DYN_ARRAY_DATA_SIZE < DYN_BLOCK_FULL_FLAG);
 
       arr->heap = NULL;
       arr->used = 0;
 
#ifdef UNIV_DEBUG
       arr->buf_end = 0;
       arr->magic_n = DYN_BLOCK_MAGIC_N;
#endif
       return(arr);
}

  执行该函数之后，结构体的情况见图1：

  创建完成之后，我们就可以使用该动态数组了。作为例子，我们在mtr_memo_push函数体内设置断点。

以下是代码片段：
/*******************************************************
Pushes an object to an mtr memo stack. */
UNIV_INLINE
void
mtr_memo_push(
/*==========*/
       mtr_t*     mtr, /* in: mtr */
       void*      object,     /* in: object */
       ulint type)       /* in: object type: MTR_MEMO_S_LOCK, ... */
{
       dyn_array_t*         memo;
       mtr_memo_slot_t* slot;
 
       ut_ad(object);
       ut_ad(type >= MTR_MEMO_PAGE_S_FIX);     
       ut_ad(type <= MTR_MEMO_X_LOCK);
       ut_ad(mtr);
       ut_ad(mtr->magic_n == MTR_MAGIC_N);
 
       memo = &(mtr->memo);      
 
//从动态中分配大小为sizeof(mtr_memo_slot_t)的空间
//然后对获取的空间进行赋值
       slot = dyn_array_push(memo, sizeof(mtr_memo_slot_t));
 
       slot->object = object;
       slot->type = type;
}

  从中我们可以得知dyn_array_pus是分配空间的地方（dyn_array_open函数有这样的功能，本文后面会提到），我们按F11进入该函数体。

以下是代码片段：
/*************************************************************************
Makes room on top of a dyn array and returns a pointer to the added element.
The caller must copy the element to the pointer returned. */
UNIV_INLINE
void*
dyn_array_push(
/*===========*/
                            /* out: pointer to the element */
       dyn_array_t*  arr,  /* in: dynamic array */
       ulint        size) /* in: size in bytes of the element */
{
       dyn_block_t*  block;
       ulint        used;
 
       ut_ad(arr);
       ut_ad(arr->magic_n == DYN_BLOCK_MAGIC_N);
       ut_ad(size <= DYN_ARRAY_DATA_SIZE);
       ut_ad(size);
       
//步骤1：取得使用的used
//存在多个节点是，arr表示的是链表中的首节点
       block = arr;
       used = block->used;
    
//步骤2：如果首结点block有足够的空间存储，则返回指针，并修改used值。这种情况只出现在：该动态数组只有一个节点。
// used + size <= DYN_ARRAY_DATA_SIZE表示有足够的空间存储
       if (used + size > DYN_ARRAY_DATA_SIZE) {
              /* Get the last array block */
              
        //步骤3：首结点没有空间存储，则取得base列表的最后一个结点
        //该函数等价于：block =UT_LIST_GET_LAST(arr->base);
        //如果有多个节点，首先肯定不符合used + size <= DYN_ARRAY_DATA_SIZE，在后文中有描述。
              block = dyn_array_get_last_block(arr);
              used = block->used;
        
        //步骤4：如果最后一个结点有足够空间，则分配
        //否则增加一个新的block
              if (used + size > DYN_ARRAY_DATA_SIZE) {
                     block = dyn_array_add_block(arr);
                     used = block->used;
              }
       }
 
       block->used = used + size;
       ut_ad(block->used <= DYN_ARRAY_DATA_SIZE);
 
       return((block->data) + used);
}

  该函数的功能就是进行分配空间，如果有足够的空间则分配，否则就调用函数dyn_array_add_block生成一个新的block。假象现在的情形是一个block扩展为两个block的情况。查看该函数的实现。

以下是代码片段：
/****************************************************************
Adds a new block to a dyn array. */
 
dyn_block_t*
dyn_array_add_block(
/*================*/
                            /* out: created block */
       dyn_array_t*  arr)  /* in: dyn array */
{
       mem_heap_t* heap;
       dyn_block_t*  block;
 
       ut_ad(arr);
       ut_ad(arr->magic_n == DYN_BLOCK_MAGIC_N);
   
//步骤1：结点是1扩展为2，还是n扩展为 n+1（n>=2）
// arr->heap=NULL则是1扩展为 2，将自己作为首结点放在链表上，并分配一个内存堆
       if (arr->heap == NULL) {
              UT_LIST_INIT(arr->base);
              UT_LIST_ADD_FIRST(list, arr->base, arr);
       
        //1扩展为 2的时候，创建一个heap，n扩展 n+1（n>=2）时，则使用该heap
              arr->heap = mem_heap_create(sizeof(dyn_block_t));
       }     
    
//步骤2：取得最后一个结点，将该block的used字段进行DYN_BLOCK_FULL_FLAG与操作，表示该结点已经使用满。每增加一个新的block总要将前一个block设置为已满，因此只有最后一个block是可用的。即使如前文所例，500字节不够用时创建了一个新的block，第二次有申请10个字节时，显示显示该块的大小>512了，因为DYN_BLOCK_FULL_FLAG的值为：0x1000000UL
       block = dyn_array_get_last_block(arr);
       block->used = block->used | DYN_BLOCK_FULL_FLAG;
 
       heap = arr->heap;
 
    //步骤3：创建一个新结点，并插入到链表尾
       block = mem_heap_alloc(heap, sizeof(dyn_block_t));
 
       block->used = 0;
 
       UT_LIST_ADD_LAST(list, arr->base, block);
 
       return(block);
}

  1个结点扩展为2个结点后，见图2（prev和next指向结构的首字节，便于绘图进行了简化，此处加以说明。list的prev和next参考前一篇文章）：

  2个结点扩展为3个结点，见图3：

  到这里，我们就解决了前面的三个问题。问题1：dyn_array_t与dyn_block_t是同样的定义，而一个动态数组只有一个首结点，那么UT_LIST_BASE_NODE_T(dyn_block_t) base成员是不是每个结构体都是有效的？”

  Alex：“这个问题我明白，只有首结点的base是有效的。从图1中可以看出，只有一个结点时，base是无效。图2中，arr的base有两个成员，首结点是第一个成员，新增加的结点在首结点的后面。图3中，arr的base有三个成员，新增的成员在链表尾。”

  Bingxi：“问题2：一开始分配的时候只分配了一个结构体，也就是512字节的大小，如果不够用，则扩展了一个，插入到链表里面，链表成员是1个还是2个？”

  Alex：“从1个扩展到2个，链表的成员是2。”

  Bingxi：“问题3：使用的时候，如何判断一个block已经使用满了，比如前面我们说到一个情况：500个字节剩下了12个不够18个时候，产生了一个新的block，假设这时候要使用其中的10个字节，两个block都是符合，用哪个？如果用后一个，怎么标识前一个是满的。”

  Alex：“始终只有最后一个结点可能被使用，只有一个成员时，本身就是最后一个结点。新增结点时，会将前一个结点设置为已满。设置方法如下：

以下是代码片段：
block->used = block->used | DYN_BLOCK_FULL_FLAG;

  这样进行分配操作时候，used + size > DYN_ARRAY_DATA_SIZE这个条件一定为真。表示首结点已经用满了，然后取最后一个结点。该条件只有一种情况为否，就是动态数组只有一个成员。

以下是代码片段：
if (used + size > DYN_ARRAY_DATA_SIZE) {
              /* Get the last array block */
              
              block = dyn_array_get_last_block(arr);
              used = block->used;
 
              if (used + size > DYN_ARRAY_DATA_SIZE) {
                     block = dyn_array_add_block(arr);
                     used = block->used;
              }
       }
”

  Bingxi：“good，我现在问第4个问题：我们需要插入三个元素，我们插入一个元素，就需要修改一次used,再插入，又得调用push函数进行操作。频繁的对dyn的数据结构进行操作。这样的效率是很低的。”

  Alex：“稍等，我看下代码。找到了，通过dyn_array_open、dyn_array_close函数可以解决这个问题。这两个函数建议大家看下。另外，我也问你第5个问题，是不是大于512字节的数据就不能插入？”

  Bingxi：“这个问题，请参考函数dyn_push_string。其它的函数也看一下，养成看函数的习惯，呵呵。今天就到这儿吧。”

  Alex：“ok”

建议继续学习：

  1. Innodb IO优化－配置优化    (阅读：6654)
  2. Innodb分表太多或者表分区太多，会导致内存耗尽而宕机    (阅读：6148)
  3. Innodb 表和索引结构    (阅读：4793)
  4. InnoDB线程并发检查机制    (阅读：4115)
  5. Innodb如何使用内存    (阅读：4018)
  6. 快速预热Innodb Buffer Pool的方法    (阅读：3980)
  7. Innodb文件表空间结构    (阅读：3734)
  8. InnoDB的缓存替换策略及其效果    (阅读：3655)
  9. 多版本并发控制：PostgreSQL vs InnoDB    (阅读：3647)
  10. InnoDB之Dirty Page、Redo log    (阅读：3435)
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