Mysql——高级——事务日志（八）

事务有4种特性：原子性、一致性、隔离性和持久性。

事务的隔离性由锁机制实现。

而事务的原子性、一致性和持久性由事务的 redo 日志和undo 日志来保证。

REDO LOG 称为重做日志，提供再写入操作，恢复提交事务修改的页操作，用来保证事务的持久性。

UNDO LOG 称为回滚日志，回滚行记录到某个特定版本，用来保证事务的原子性、一致性。

有的DBA或许会认为 REDO是UNDO的逆过程，其实不然。REDO和UNDO都可以视为一种恢复操作。

REDO LOG：是存储引擎生成的日志，记录的是物理级别上的页修改操作，比如页号xxx、偏移量yyy写入了zzz数据。主要为了保证数据的可靠性。

UNDO LOG：是存储引擎生成的日志，记录的是逻辑级别日志，比如对某一行数据进行了INSERT操作，那么undo log就记录一条与之相反的DELETE操作。主要用于事务回滚（每个修改操作的逆操作）和一致性非锁定读（记录到某种特定版本--MVCC，即多版本并发控制）

1、redo日志

InnoDB存储引擎是以页为单位来管理存储空间的。在真正访问页面之前需要把在磁盘上的页缓存到内存中的 Buffer Pool之后才可以访问。所有的变更都必须先更新缓冲池中的数据，然后缓冲池中的脏页会以一定的频率被刷入磁盘（ checkPoint机制），通过缓冲池来优化CPU和磁盘之间的鸿沟，这样就可以保证整体的性能不会下降太快。

1.1、为什么需要REDO日志

一方面，缓冲池可以帮助我们消除CPU和磁盘之间的鸿沟，checkpoint机制可以保证数据的最终落盘，然而由于checkpoint 并不是每次变更的时候就触发 的，而是master线程隔一段时间去处理的。所以最坏的情况就是事务提交后，刚写完缓冲池，数据库宕机了，那么这段数据就是丢失的，无法恢复。

另一方面，事务包含持久性的特性，就是说对于一个已经提交的事务，在事务提交后即使系统发生了崩溃，这个事务对数据库中所做的更改也不能丢失。

如何保证这个持久性：InnoDB引擎的事务采用了WAL技术(Write-Ahead Logging )，思想就是先写日志，再写磁盘，只有日志写入成功，才算事务提交成功，这里的日志就是redo log。当发生宕机且数据未刷到磁盘的时候，可以通过redo log来恢复，保证ACID中的D，这就是redo log的作用。

1.2、好处和特点

好处：

• redo日志降低了刷盘频率
• redo日志占用的空间非常小

特点：

• redo日志是顺序写入磁盘的，效率比随机IO快。
• 事务执行过程中，redo log不断记录。redo log跟bin log的区别，redo log是存储引擎层产生的，而bin log是数据库层产生，直到这个事务提交，bin log才会一次写入文件中。

1.3、redo的组成

• 重做日志的缓冲 (redo log buffer) ，保存在内存中，是易失的。

        在服务器启动时就向操作系统申请了一大片redo log buffer的连续内存空间，这片内存空间被划分成若干个连续的redo log block。一个redo log block占用512字节大小。

        参数设置：innodb_log_buffer_size： redo log buffer 大小，默认 16M ，最大值是4096M，最小值为1M。

show variables like '%innodb_log_buffer_size%';
+------------------------+----------+
| Variable_name | Value |
+------------------------+----------+
| innodb_log_buffer_size | 16777216 |
+------------------------+----------+

• 重做日志文件(redo log file)，保存在硬盘中，是持久的。

        REDO日志文件如图所示，其中的ib_logfile0和ib_logfile1即为redo log日志。

1.4、redo的整体流程

以一个更新事务为例，redo log 流转过程，如下图所示：

第1步：先将原始数据从磁盘中读入内存中来，修改数据的内存拷贝

第2步：生成一条重做日志并写入redo log buffer，记录的是数据被修改后的值

第3步：当事务commit时，将redo log buffer中的内容刷新到 redo log file，对 redo log file采用追加写的方式

第4步：定期将内存中修改的数据刷新到磁盘中

1.5、redo log的刷盘策略

redo log的写入并不是直接写入磁盘的，InnoDB引擎会在写redo log的时候先写redo log buffer，之后以 一定的频率刷入到真正的redo log file 中。这里的一定频率就是我们要说的刷盘策略。

InnoDB给出 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数，该参数控制 commit提交事务时，如何将 redo log buffer 中的日志刷新到 redo log file 中。它支持三种策略：

• 设置为0 （最快但最不安全）：表示每次事务提交时不进行刷盘操作。（系统默认master thread每隔1s进行一次重做日志的同步）。如果宕机或mysql挂了可能会丢失1秒的数据
• 设置为1 （最慢但最安全）：表示每次事务提交时都将进行同步，刷盘操作（ 默认值 ）。只要事务提交成功,redo log记录就一定在硬盘里，不会有任何数据丢失。
• 设置为2 （折中）：表示每次事务提交时都只把 redo log buffer 内容写入 page cache，不进行同步。由os自己决定什么时候同步到磁盘文件。MySQL挂了不会有任何数据丢失，但是操作系统宕机可能会有1秒数据的丢失。但是效率相对高的。

show variables like 'innodb_flush_log_at_trx_commit';
+--------------------------------+-------+
| Variable_name                  | Value |
+--------------------------------+-------+
| innodb_flush_log_at_trx_commit | 1     |
+--------------------------------+-------+

另外，InnoDB存储引擎有一个后台线程，每隔1秒，就会把redo log buffer中的内容写到文件系统缓存( page cache )，然后调用刷盘操作。

也就是说，一个没有提交事务的redo log记录，也可能会刷盘。因为在事务执行过程redo log记录是会写入redo log buffer 中，这些redo log记录会被后台线程刷盘。

当redo log buffer占用的空间即将达到innodb_log_buffer_size(这个参数默认是16M)的一半的时候，后台线程会主动刷盘。

1.6、redo log file

相关参数设置：

• innodb_log_group_home_dir ：指定 redo log 文件组所在的路径，默认值为 ./ ，表示在数据库的数据目录下。MySQL的默认数据目录（ var/lib/mysql ）下默认有两个名为 ib_logfile0 和ib_logfile1 的文件，log buffer中的日志默认情况下就是刷新到这两个磁盘文件中。此redo日志文件位置还可以修改。
• innodb_log_files_in_group：指明redo log file的个数，命名方式如：ib_logfile0，iblogfile1...iblogfilen。默认2个，最大100个。

        ib_logfile0写满了，就接着ib_logfile1写，ib_logfile1.写满了就去写ib_logfile2，依此类推。如果写到最后一个文件该咋办?那就重新转到ib_logfile0继续写

•  innodb_flush_log_at_trx_commit：控制 redo log 刷新到磁盘的策略，默认为1。
• innodb_log_file_size：单个 redo log 文件设置大小，默认值为 48M 。最大值为512G，注意最大值指的是整个 redo log 系列文件之和，即（innodb_log_files_in_group * innodb_log_file_size ）不能大于最大值512G。

checkpoint：在整个日志文件组中还有两个重要的属性，分别是write pos、checkpoint

• write pos是当前记录的位置，一边写一边后移
• checkpoint是当前要擦除的位置，也是往后推移

2、Undo日志

redo log是事务持久性的保证，undo log是事务原子性的保证。在事务中更新数据的前置操作其实是要先写入一个 undo log 。

2.1、理解Undo日志

事务需要保证原子性 ，也就是事务中的操作要么全部完成，要么什么也不做。但有时候事务执行到一半会出现一些情况，比如：

• 情况一：事务执行过程中可能遇到各种错误，比如服务器本身的错误 ，操作系统错误 ，甚至是突然断电导的错误。
• 情况二：程序员可以在事务执行过程中手动输入 ROLLBACK 语句结束当前事务的执行。

以上情况出现，我们需要把数据改回原先的样子，这个过程称之为回滚 ，这样就可以造成一个假象：这个事务看起来什么都没做，所以符合原子性要求。

每当我们要对一条记录做改动时(这里的改动可以指INSERT、DELETE、UPDATE)，都需要"留一手"——把回滚时所需的东西记下来。比如:

• 你插入一条记录时，至少要把这条记录的主键值记下来，之后回滚的时候只需要把这个主键值对应的记录删掉就好了。(对于每个INSERT, InnoDB存储引擎会完成一个DELETE)
• 你删除了一条记录，至少要把这条记录中的内容都记下来，这样之后回滚时再把由这些内容组成的记录插入到表中就好了。(对于每个DELETE,InnoDB存储引擎会执行一个INSERT)
• 你修改了一条记录，至少要把修改这条记录前的旧值都记录下来，这样之后回滚时再把这条记录更新为旧值就好了。(对于每个UPDATE，InnoDB存储引擎会执行一个相反的UPDATE，将修改前的行放回去)

MySQL把这些为了回滚而记录的这些内容称之为撤销日志或者回滚日志(即undo log)。注意，由于查询操作( SELECT）并不会修改任何用户记录，所以在杳询操作行时，并不需要记录相应的undo日志。

此外，undo log 会产生redo log，也就是undo log的产生会伴随着redo log的产生，这是因为undo log也需要持久性的保护

2.2、Undo日志的作用

作用1：回滚数据

用户对undo日志可能有误解: undo用于将数据库物理地恢复到执行语句或事务之前的样子。但事实并非如此。undo是逻辑日志，因此只是将数据库逻辑地恢复到原来的样子。所有修改都被逻辑地取消了，但是数据结构和页本身在回滚之后可能大不相同。这是因为在多用户并发系统中，可能会有数十、数百甚至数千个并发事务。数据库的主要任务就是协调对数据记录的并发访问。比如，一个事务在修改当前一个页中某几条记录，同时还有别的事务在对同一个页中另几条记录进行修改。因此，不能将一个页回滚到事务开始的样子，因为这样会影响其他事务正在进行的工作。

作用2：MVCC

undo的另一个作用是MVCC，即在InnoDB存储引擎中MVCC的实现是通过undo来完成。当用户读取一行记录时，若该记录已经被其他事务占用，当前事务可以通过undo读取之前的行版本信息，以此实现非锁定读取。

2.3、undo的存储结构

回滚段与undo页

nnoDB对undo log的管理采用段的方式，也就是回滚段（rollback segment）。每个回滚段记录了1024个undo log segment ，而在每个undo log segment段中进行undo页的申请。

• 在 InnoDB1.1版本之前 （不包括1.1版本），只有一个rollback segment，因此支持同时在线的事务限制为 1024 。虽然对绝大多数的应用来说都已经够用。
• 从1.1版本开始InnoDB支持最大128个rollback segment，故其支持同时在线的事务限制提高到了 128*1024 。

128个rollback segment都存储于共享表空间ibdata中。从lnnoDB1.2版本开始，可通过参数对rollback segment做进一步的设置。这些参数包括：

• innodb_undo_directory:设置rollback segment文件所在的路径。这意味着rollback segment可以存放在共享表空间以外的位置，即可以设置为独立表空间。该参数的默认值为“”，表示当前InnoDB存储引擎的目录。
• innodb_undo_logs:设置rollback segment的个数，默认值为128。在InnoDB1.2版本中，该参数用来替换之前版本的参数innodb_rollback_segments。
• innodb_undo_tablespaces : 设置构成rollback segment文件的数量，这样rollback segment可以较为平均地分布在多个文件中。设置该参数后，会在路径innodb_undo_directory看到undo为前缀的文件，该文件就代表rollback segment文件。

undo页的重用：开启一个事务需要写undo log的时候，就得先去undo log segment中去找到一个空闲的位置，当有空位的时候，就去申请undo页，在这个申请到的undo页中进行undo log的写入，mysql默认一页的大小是16k。undo页是可以重用的，当事务提交时，并不会立刻删除undo页。因为重用，所以这个undo页可能混杂着其他事务的undo log。undo log在commit后，会被放到一个链表中，然后判断undo页的使用空间是否小于3/4，如果小于3/4的话，则表示当前的undo页可以被重用，那么它就不会被回收，其他事务的undo log可以记录在当前undo页的后面。由于undo log是离散的，所以清理对应的磁盘空间时，效率不高。

回滚段与事务

• 每个事务只会使用一个回滚段（rollback segment），一个回滚段在同一时刻可能会服务于多个事务。
• 当一个事务开始的时候，会制定一个回滚段，在事务进行的过程中，当数据被修改时，原始的数 据会被复制到回滚段。
• 在回滚段中，事务会不断填充盘区，直到事务结束或所有的空间被用完。如果当前的盘区不够用，事务会在段中请求扩展下一个盘区，如果所有已分配的盘区都被用完，事务会覆盖最初的盘区或者
• 在回滚段允许的情况下扩展新的盘区来使用。 回滚段存在于undo表空间中，在数据库中可以存在多个undo表空间，但同一时刻只能使用一个undo表空间。
• 当事务提交时，InnoDB存储引擎会做以下两件事情：将undo log放入列表中，以供之后的purge（purge: 清除，清洗）操作；判断undo log所在的页是否可以重用(低于3/4可以重用)，若可以分配给下个事务使用。

回滚段中的数据分类

• 未提交的回滚数据(uncommitted undo information)： 该数据所关联的事务并未提交，用于实现读一致性，所以该数据不能被其他事务的数据覆盖。
• 已经提交但未过期的回滚数据(committed undo information)： 该数据关联的事务已经提交，但是仍受到undo retention参数的保持时间的影响。
• 事务已经提交并过期的数据(expired undo information)： 事务已经提交，而且数据保存时间已经超过undo retention参数指定的时间，属于已经过期的数据。当回滚段满了之后，会优先覆盖"事务已经提交并过期的数据"。

事务提交后并不能马上删除undo log及undo log所在的页。这是因为可能还有其他事务需要通过undo log来得到行记录之前的版本。故事务提交时将undo log放入一个链表中，是否可以最终删除undo log及undo log所在页由purge线程来判断。

2.4、undo的类型

在InnoDB存储引擎中，undo log分为：

• insert undo log

insert undo log是指在insert操作中产生的undo log。因为insert操作的记录，只对事务本身可见，对其他事务不可见(这是事务隔离性的要求)，故该undo log可以在事务提交后直接删除。不需要进行purge操作。

• update undo log

update undo log记录的是对delete和update操作产生的undo log。该undo log可能需要提供MVCC机制，因此不能在事务提交时就进行删除。提交时放入undo log链表，等待purge线程进行最后的删除。

2.5 undo log的生命周期

对于InnoDB引擎来说，每个行记录除了记录本身的数据之外，还有几个隐藏的列：

• DB_ROW_ID: 如果没有为表显式的定义主键，并且表中也没有定义唯一索引，那么InnoDB会自动为表添加一个row_id的隐藏列作为主键。
• DB_TRX_ID︰每个事务都会分配一个事务ID，当对某条记录发生变更时，就会将这个事务的事务ID写入trx_id中。 
• DB_ROLL_PTR:回滚指针，本质上就是指向undo log的指针。