mysql事务日志

事务有4中特性：原子性，一致性，隔离性和持久性。那么事务的四种特性到底是基于什么机制实现的呢？

1. 事务的隔离性由 锁机制 实现。

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

        ~ redo log 称为重做日志，提供再写入操作，回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undo 是 redo的逆过程，其实不然。redo 和 undo 都可以视为是一种 恢复操作，但是：

1. redo log：是存储引擎层（innode）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。

2. undo log：是存储引擎层（innode）生成的日志，记录的是 逻辑操作 日志，比如对某一行数据进行了insert语句操作，那么undo log就纪录一条与之相反的delete操作。主要是用于 事务的回滚（undo log 记录的是每个修改操作的 逆操作）和 一致性非锁定读（undo log回滚行记录到某种特定的版本--mvcc）,即多版本并发控制。

1. redo 日志

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innodb存储引擎是以 页为单位 来管理存储空间的。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 poll 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 会以一定的频率刷入到磁盘中（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的太快。

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，在事务提交后即使发生了崩溃，这个事务对数据库中所做的更改也不能丢失。

那么如何保证这个持久性呢？ 一个简答的做法：在事务提交完成之前把该事务所修改的所有页面都刷新到磁盘，但是这个简单粗暴的做法有些问题：

~ 修改量与刷新磁盘工作量严重不成比例

有时候我们仅仅修改了某个页面中的一个字节，但是我们知道在innodb中是以页为单位来进行磁盘io的，也就是说我们在该事务提交时不得不将一个完整的页面从内存中刷新到磁盘，我们又知道一个页面默认是16KB大小，只修改了一个字节就要刷新16KB的数据到磁盘上显然是小题大做了。

~ 随机io刷新较慢

一个事务可能包含很多语句，即使一条语句也可能修改许多页面，假如该事务修改的这些页面可能并不相邻，这就意味着再将某个事务修改的buffer pool中的页面 刷新到磁盘 时，需要进行很多 随机io，随机io比顺序io要慢，尤其是对于传统的机械硬盘来说。

另一个解决思路：我们只是想让已经提交的事务对数据库中的数据所做的修改永久生效，即使后来系统崩溃，再重启后也能把这种修改恢复出来。所以我们其实没有必要在每次事务提交时九八该事务在内存中修改过的全部页面刷新到磁盘，只需要把修改了哪些东西记录一下就好。比如某个事务将系统表空间中的第10号页面中偏移量为100处的那个字节的值1改成2。我们只需要记录一下：将第0号表空间的10号页面的偏移量为100处的值更新为2.

Innodb引擎的事务采用了WAL技术，这种技术的思想就是先写日志，在写磁盘，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 redo日志的好处，特点

1. 好处

~ redo日志降低了刷盘频率

~ redo日志占用的空间非常小

存表空间ID，页号，偏移量宜忌需要更新的值，所需的存储空间时很小的，刷盘快。

2. 特点

~ redo日志是顺序写入磁盘的

在执行事务的过程中，每执行一条语句，就可能产生若干条redo日志，这些日志是按照 产生的顺序写入磁盘的，也就是使用顺序io，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 是数据库产生的。假设一个事务，对表做10万行的记录插入，在这个过程中，一直不断的网redo log顺序记录，而bin log不会记录，直到这个事务提交，才回一次写入bin log文件中。

1.3 redo的组成

redo log 可以简单分为一下两个部分:

~ 重做日志的缓冲，保存在内存中，易失去的。

在服务器启动时就像操作系统申请了一大片称之为redo  log buffer 的 连续内存 空间，翻译成中文就是redo日志缓冲区。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.

1.4 redo 整体的流程

以一个更新事务为例，redo log流转过程，如图下所示：

第一步：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

第二部：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。

第三步：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

第四步：第七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中，innodb引擎会在写redo log的时候先写 redo log buffer，之后以 一定的频率 刷入真正的redo log file中。这里的一定频率怎么看待呢？这就是我们要说的刷盘策略。

注意redo log buffer刷盘到redo log file的过程中并不是真正的刷到磁盘中去，只是刷入到 文件系统缓存 中去，真正的写入会交给系统自己来决定。那么对于innodb来说就存在一个问题，如果交给系统来同步，同样如果系统宕机，那么数据也就丢失了。

针对这种情，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：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）

设置为1：表示每次事务提交时都将进行同步，刷盘操作（默认值）

设置为2：表示每次事务提交时都只吧redo log buffer 内容写入到page cache，不进行同步。由os自己决定什么时候同步到磁盘文件。

另外 ，innodb存储引擎后一个后台线程，每个1S，就会把redo log buffer中的内容写道文件系统缓存page cache，然后调用刷盘操作。

 除了后台线程每秒的轮询操作，还有一种情况：当redo log buffer占用的空间即将达到innodb_log_buffer_size的一半的时候，后台线程会主动进行刷盘操作。

1.6 不同刷盘策略

innodb_flush_log_at_trx_commit=1

小结：innodb_flush_log_at_trx_commit=1

为1时，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。

如果事务执行期间mysql挂了或宕机，这部分日志丢了，但是事务并没有提交，所以日志丢了也不会有损失。可以保证ACID的D，数据绝对不会丢失，但是效率最差的。

建议使用默认值，虽然操作系统宕机的概率理论小于数据库的宕机概率，但是一般使然使用了事务，那么数据的安全相对来说更重要些。

innodb_flush_log_at_trx_commit=2

小结 ：innodb_flush_log_at_trx_commit=2

为2时，只要事务提交成功，redo log buffer 中的内容只写入文件系统缓存。如果仅仅只是mysql挂了不会有任何的数据丢失，但是操作系统宕机了可能会有1S的数据丢失，这种情况下无法满足ACID中的D。但是数值2肯定效率最高。

innodb_flush_log_at_trx_commit=0

小结：innodb_flush_log_at_trx_commit=0

为0时，master thread 中每1秒进行一次重做日志的fsync操作，因此实力crash最多丢失1秒钟内的事务。（master thread是负责将缓冲池中的数据一部刷新到磁盘，保证数据的一致性）

数值0的话，是一种折中的做法，他的io效率理论是高于1的，低于2的，这种策略也有丢失数据的风险，也无法保证D。

1.7 写入 redo log buffer 过程

1. 补充概念：Mini-Transaction

MySQL 把对底层页中的一次原子访问的过程称之为一个 Mini-Transaction ，简称mtr，比如，向某个索引对应的B+树中插入一条记录的过程就是要给 Mini-Transaction 。一个所谓的mtr可以包含一组redo日志，在进行崩溃恢复时这一组redo日志作为一个不可分割的整体。

一个事务可以包含若干条语句，每一条语句其实是由若干个mtr组成，每一个mtr又可以包含若干个redo日志，如下图关系：

 2. redo 日志写入log buffer

 

向log buffer中写入redo 日志的过程时顺序的，也就是先往前边的block中写，当该block的空闲空间用完之后再往下一个block中写。当我们想往log buffer中写入redo日志时，第一个遇到的问题就是应该写在那个block的那个偏移量处，所以innodb的设计者特意提供了一个称之为buf_free的全局变量，该变量指明后续写入的redo日志应该写到log buffer中的那个位置，如图所示：

 一个mtr执行过程中可能产生若干条redo日志，这些redo日志是一个不可分割的组，所以其实并不是每生成一条redo日志，就将其插入到log buffer中，而是每个mtr运行过程中产生的日志先暂时存到一个地方，当该mtr结束的时候，将过程中产生的一组redo日志在全部复制到log buffer中。我们现在假设有两个名为T1,T2的事务，每个事务都包含两个mtr，我们给这几个mtr命名下：

~ 事务T1的两个mtr分别称为mtr_T1_1和mtr_T1_2

~ 事务T2的两个mtr分别称为mtr_T2_1和mtr_T2_2

每个mtr都会产生一组redo日志，用示意图来描述一下这些mtr产生的日志情况：

 不同的事务可能时 并发 执行，所以T1,T2之间的mtr可能是 交替执行 的。每当一个mtr执行完成时，伴随该mtr生成一组redo日志就需要被复制到log buffer中，也就是说不同事物的mtr 可能是交替写入log buffer的，我们画个示意图：

 有的mtr产生的redo日志量非常大，比如mtr_t1_2产生的redo日志占用空间比较大，占用了3个block来存储。

3. redo log block的结构图

 

一个redo log block是由日志头，日志体，日志尾组成。日志头占用12个字节，日志尾占用8个字节，所以一个block真正能存储的空间数据就是512-12-8=492字节。

为什么一个block设计成512字节？

这个和磁盘的扇区有关，机械硬盘默认的扇区就是512字节，如果你要写入的数据大于512字节，那么要写入的扇区肯定不止一个，这时就要设计到盘片的转动，找到下一个扇区，假设现在需要写入两个扇区A和B，如果扇区A写入成功，而扇区B写入失败，那么就会出现非原子性的写入，而如果每次只写入和扇区的大小一样的512字节，那么每次的写入都是原子性的。

真正的redo日志都是存储到占用496字节大小的log block body中，图中的log block header和log block trailer 存储的是一些管理信息。我们来看看这些所谓的 管理信息 都有什么。 

1.8 redo logfile

1. 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 logfile 的个数，命名方式如：ib_logfile0,ib_logfile1.....。默认为2个，最大100个.

~ 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48M。最大值512G，注意最大值指的是整个redo log系列文件之和不能大于最大值。

根据业务修改其大小，以便容纳较大的事务。编辑my.cnf 文件并重启数据库生效，如下所示

 innodb_log_file_size=200M

在数据实力更新比较频繁的情况下，可以适当加大redo log组数和大小。但也不推荐redo log设置过大，在mysql崩溃恢复时会重新执行 redo 日志中的记录。

2. 日志文件组

从上边的描述中可以看到，磁盘上的redo日志文件不只一个，而是以一个日志文件组的形式出现的。这些文件以ib_logfile[数字]的形式命名，每个redo日志文件大小都是一样的。

再将redo日志写入到文件组时，是从ib_logfile0开始写，如果写满了就接着写ib_logfile1写。依此类推

总共的redo日志文件大小其实就是：innodb_log_file_size*innodb_log_file_in_group。
采用循环使用的方式redo日志文件组里写数据的话，会导致后写入的redo日志覆盖掉前边写入的redo日志？当然，所以innodb的设计者提出了checkpoint的概念。

3. 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

每次刷盘redo log记录到日志文件组中，write pos位置就会后移更新。每次mysql加载日志文件组恢复数据时，会清空加载过的redo log 记录，并把checkpoint后移进行更新。wtrite pos 和checkpoint 之间还空着的部分可以用来写入新的redo log 记录。

如果write pos 追上checkpoint，表示日志文件组满了，这时候不能再写入新的redo log 记录，mysql得停下来，清空一些记录，把checkpoint推进一下。

1.9 redo log 小结 

相信大家都知道redo log的作用和他的刷盘时机，存储形式：

innodb的更新操作采用的时write ahead log （预先日志持久化）策略，即先写日志，再写入磁盘。

2. undo 日志

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

2.1 如何理解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成功，要么什么都不做。但有时候事务执行到一般会出现一些情况，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，甚至是突然断电导致的错误。

~ 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来的样子，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，都需要留一手把回滚所需要的东西记录下来。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除掉就好了。

~ 你删除一条记录，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有这些内容组成的记录插入到表中就好了。

~ 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。

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。注意，由于查询操作并不会修改任何用户记录，所以在查询操作执行时，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用户将数据库物理的恢复到执行语句或事物之前的样子。但事实并非如此。undo是逻辑日志，因此只是将数据库逻辑的恢复到原来的样子。所有修改都被逻辑的取消了，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的另一个作用时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，若该纪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，一次实现非锁定读取。

2.3 undo 的存储结构

1. 回滚段与undo页

Innodb对undo log的管理采用段的方式，也就是回滚段。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innodb 1.1版本之前，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了。

~ 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。

虽然innodb1.1版本支持了128个rollback segment，但是这些rollback segment都存储与共享表空间ibdata中。从innodb1.2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，既可以设置为独立表空间。该参水的默认值为"./"，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 可以较为平均的分布在多个文件中。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 log 相关参数一般很少改动。

undo页的重用

当我们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。 

为每一个事务分配一个页，是非常浪费的，假设你的应用TPS（每秒处理事务数目）为1000，那么1S就需要1000页，大概需要16M的存储，1分钟大概需要1G的存储。如果照这样下去除非mysql清理的非常勤快，否则随机时间的推移，磁盘空间会增长非常快，而且很多空间都是浪费的。

于是undo页就被设计的可以重用了，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可以记录在当期undo页的后面。由于undo log时离散的，所以清理对应的磁盘空间时，效率不高。|

2. 回滚段与事务

1. 每个事务只会使用一个回滚段，一个回滚段在同一时刻可能会服务于多个事务。

2. 当一个事务开始的时候，会指定一个回滚段，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。

3. 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拓展新的盘区来使用。

4. 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。

5. 当事务提交时，innodb存储引擎会做一下两件事情：

~ 将undo log放入列表中，以供之后的purge操作

~ 判断undo log所在的页是否可以重用，若可以分配给下个事务使用。

3. 回滚段中的数据分类

1. 未提交的数据：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。

2. 已经提交但未过期的回滚数据：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。

3. 事务已经提交并过期的数据：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所在页由purge线程来判断。

2.4 undo 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，支队事务本身可见，对其他事务不可见，故该undo log可以在事务提交后直接删除。不需要进行purge。

~ 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

1. 简要生成过程

以下是undo+redo事务的简化过程

假设由2个数值，分别是A=1和B=2，然后将A修改为3，B修改为4

# 1. start transaction
# 2. 记录A=1到undo log；
# 3. update=3；
# 4. 记录A=3到redo log；
# 5. 记录B=2到undo log；
# 6. update=4
# 7. 记录B=4到redo log；
# 8. 将redo log刷新到磁盘
# 9. commit事务提交

~ 在 1-8 步骤的任意一步系统宕机，事务未提交，该事务就不会对磁盘上的数据做任何影响。

~ 如果在8-9之间宕机，恢复之后可以选择回滚，也可以选择继续提交，因为此时的redo log已经持久化

~ 若在9之后系统宕机，内存映射中变更的数据还来不及刷回磁盘，那么系统恢复之后，可以根据redo log 把数据刷回磁盘。

只有buffer pool的流程： 

有了redo 和undo之后：

在更新buffer pool中的数据之前，我们需要将该数据事务开始之前的状态写入undo log中。假设更新到一半出错了，我们就可以通过undo log来回滚到事务开始之前。

2. 详细生成过程
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: 如果没有为表显示的定义主键，并且表中也没有定义唯一的索引，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。

 

当我们执行insert时: insert into user(name) values('tom');

插入的数据都会生成一条insert undo log，并且数据的回滚指针会指向它。undo log会记录undo log的序号，插入主键的列和值...，那么在进行rrollback的时候，通过主键直接把对应的数据删除即可。

 当我们执行update：

对于更新的操作会产生update undo log，并且会分更新主键和不更新主键的，假设现在执行：update user set name = 'sun' where id = 1;

这时会把老的记录写入新的undo log，让回滚指针指向新的undo log，他的undo no是1，并且新的undo log会指向

假设现在执行：

update user set id=2 where id=1；

 

对于更新主键的操作，会先把原来的数据deletemark标识打开，这是并没有真正的删除数据，真正的删除会交给线程去判断，然后在后面插入一条新的数据，新的数据也会产生undo log，并且undo log的序号会递增。

可以发现每次对数据的变更都会产生一个undo log，当一条记录被变更多次时，那么就会产生多条undo log，undo log记录的是变更之前的日志，并且每个undo log的需要是递增的，那么当要回滚的时候，按照序号 一依次想起那推，就可以找到我们的原始数据了。 

3.undo log是如何回滚的

# 1. 通过undo no=3 的日志把id=2删除
# 2. 通过undo no=2 的日志把id=1的数据的deletemark还原成0
# 3. 通过undo no=1 的日志把id=1的数据的name还原成tom
# 4. 通过undo no=0 的日志把id=1的数据删除

4. undo log的删除

~  针对insert undo log

因为insert操作记录，支队事务本身可见，对其他事务不可见。故该undo log可以在事务提交后直接删除，不需要进行purge操作。

~ 针对update 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。

2.6 小结

undo log是逻辑日志，对事物回滚时，只是将数据库逻辑的恢复到原来的样子。

redo log是物理日志，记录的是数据页的物理变化，undo log不是redo log的逆过程。