问题

什么是InnoDB的页分裂和页合并？

答案

1. 核心概念

页分裂（Page Split） 和 页合并（Page Merge） 是InnoDB在维护B+树索引结构时的两种关键操作，用于应对数据页的动态变化。

• 页分裂：当数据页已满无法插入新记录时，将一个页拆分成两个页
• 页合并：当相邻的两个页数据量过少时，合并成一个页

2. 页分裂（Page Split）

2.1 触发条件

当向一个 已满的数据页（通常是填充率超过15/16，即15KB左右）插入新记录时，就会触发页分裂。

2.2 分裂过程

假设向主键索引插入记录，页已满：

分裂前：
页1: [1][2][3][4][5][6]...[50] ← 已满（16KB）
         ↓ 插入记录30
分裂后：
页1: [1][2][3]...[25]         ← 保留前半部分
页2: [26][27]...[50]          ← 后半部分移到新页

详细步骤：

1. 申请新页：从表空间中分配一个新的数据页
2. 记录移动：将原页的部分记录移动到新页
3. 更新索引：修改非叶子节点的指针，指向新页
4. 更新链表：维护叶子节点之间的双向链表指针

2.3 三种分裂情况

情况1：顺序插入（最优）

插入记录比当前页所有记录都大：
页1: [1][2]...[100]
           ↓ 插入101
页1: [1][2]...[100]      ← 原页不变
页2: [101]               ← 新页只有新记录

• 性能影响小：原页100%利用率，新页从头开始

情况2：随机插入（最差）

插入记录在页中间：
页1: [1][2][3]...[50]
        ↓ 插入25
页1: [1][2]...[24]       ← 保留50%
页2: [25][26]...[50]     ← 移动50%

• 性能影响大：两个页各50%利用率，产生碎片

情况3：反向插入

插入记录比当前页所有记录都小：
页1: [100][101]...[200]
    ↓ 插入99
页2: [99]                ← 新页
页1: [100][101]...[200]  ← 原页不变

2.4 页分裂的代价

性能影响：

• 额外的I/O操作：读取旧页、写入新页、更新索引页
• 锁争用：分裂期间需要对页加排他锁
• 碎片化：随机插入导致页利用率低，浪费存储空间

监控页分裂：

-- 查看页分裂次数
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_page_splits';

3. 页合并（Page Merge）

3.1 触发条件

当 删除记录 或 更新导致记录变小 时，如果页的填充率低于某个阈值（通常是50%），且相邻页可以合并，就会触发页合并。

3.2 合并过程

合并前：
页1: [1][2][3]           ← 填充率30%
页2: [4][5][6]           ← 填充率30%
         ↓
合并后：
页1: [1][2][3][4][5][6]  ← 填充率60%
页2: (释放)

详细步骤：

1. 检查相邻页：判断前后页是否可以合并（总记录数能否放入一个页）
2. 移动记录：将一个页的记录移动到另一个页
3. 释放空页：将空闲页加入Free链表
4. 更新索引：修改非叶子节点的指针

3.3 合并的阈值

-- 合并阈值由参数控制（默认50%）
innodb_merge_threshold_set_all_debug = 50

• 当页的填充率低于 MERGE_THRESHOLD（默认50%）时，尝试合并
• 避免频繁合并和分裂的循环

4. 页分裂与页合并的影响对比

操作	触发场景	性能影响	空间影响	优化建议
页分裂	插入记录到已满页	I/O增加、锁争用	产生碎片、利用率降低	使用自增主键、批量插入
页合并	删除记录导致页过空	I/O增加、锁争用	回收空间、提高利用率	定期OPTIMIZE TABLE

5. 性能优化建议

5.1 避免页分裂

1. 使用自增主键

-- 推荐：自增主键顺序插入
CREATE TABLE users (
    id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

-- 不推荐：UUID随机插入
CREATE TABLE users (
    id CHAR(36) PRIMARY KEY,  -- UUID导致随机分裂
    name VARCHAR(100)
);

2. 预留空间

• InnoDB默认保留页的1/16空间用于后续更新
• 避免页刚好满的情况下更新导致分裂

3. 批量插入

-- 推荐：批量插入
INSERT INTO users (name) VALUES
    ('Alice'), ('Bob'), ('Charlie');

-- 不推荐：逐条插入
INSERT INTO users (name) VALUES ('Alice');
INSERT INTO users (name) VALUES ('Bob');

5.2 处理页合并

1. 定期重建索引

-- 优化表，重建索引，消除碎片
OPTIMIZE TABLE users;

-- 或者重建索引
ALTER TABLE users ENGINE=InnoDB;

2. 监控碎片率

-- 查看表的碎片情况
SELECT
    table_name,
    data_length,           -- 数据大小
    index_length,          -- 索引大小
    data_free,             -- 碎片空间
    data_free / (data_length + index_length) AS frag_ratio
FROM information_schema.tables
WHERE table_schema = 'your_database'
ORDER BY frag_ratio DESC;

5.3 索引设计建议

1. 主键选择

• 优先使用自增主键：顺序插入，避免分裂
• 避免随机主键：UUID、无序字符串导致频繁分裂

2. 二级索引优化

• 避免在频繁更新的列上建索引
• 考虑使用前缀索引减少索引大小

6. 实战示例

6.1 观察页分裂

-- 查看页分裂次数
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_page_splits';

-- 执行大量随机插入
INSERT INTO test_table SELECT UUID(), RAND() FROM seq_1_to_100000;

-- 再次查看页分裂次数（会显著增加）
SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_page_splits';

6.2 对比自增主键 vs UUID

-- 自增主键：页分裂少
CREATE TABLE test_auto (id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY, data VARCHAR(100));
INSERT INTO test_auto (data) SELECT UUID() FROM seq_1_to_100000;

-- UUID主键：页分裂多
CREATE TABLE test_uuid (id CHAR(36) PRIMARY KEY, data VARCHAR(100));
INSERT INTO test_uuid SELECT UUID(), UUID() FROM seq_1_to_100000;

-- 对比存储空间和碎片率
SELECT table_name, data_length, data_free
FROM information_schema.tables
WHERE table_name IN ('test_auto', 'test_uuid');

7. 总结

页分裂：

• 插入数据到已满页时触发，将页拆分成两个
• 顺序插入性能最优，随机插入导致频繁分裂和碎片
• 使用 自增主键 可以最大程度避免页分裂

页合并：

• 删除数据导致页利用率低于50%时触发
• 回收空间，但也会增加I/O
• 定期 OPTIMIZE TABLE 可以消除碎片

核心原则：

• 索引设计要考虑数据插入模式
• 监控页分裂和碎片率，及时优化
• 自增主键是最佳实践

面试要点：能清晰说明页分裂的三种情况、页合并的触发条件、以及如何通过自增主键避免页分裂。