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MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文）

不言
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2019-01-15 10:51:084422瀏覽

這篇文章帶給大家的內容是關於MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文），有一定的參考價值，有需要的朋友可以參考一下，希望對你有幫助。

我們都知道事務有4種特性：原子性、一致性、隔離性和持久性，在事務中的操作，要麼全部執行，要麼全部不做，這就是事務的目的。事務的隔離性由鎖定機制實現，原子性、一致性和持久性由事務的redo 日誌和undo 日誌來保證。所以這篇文章將討論關於事務中的redo和undo的幾個問題：

  • redo 日誌與undo日誌分別是什麼？

  • redo 如何保證交易的持久性？

  • undo log 是否是redo log的逆過程？

redo log

#Redo 的型別

重做日誌(redo log)用來保證事務的持久性，即事務ACID中的D。實際上它可以分成以下兩種類型：

  • 物理Redo日誌

  • #邏輯Redo日誌

在InnoDB儲存引擎中，大部分情況下Redo是實體日誌，記錄的是資料頁的物理變化。而邏輯Redo日誌，不是記錄頁面的實際修改，而是記錄修改頁面的一類操作，例如新建資料頁時，需要記錄邏輯日誌。關於邏輯Redo日誌涉及更底層的內容，這裡我們只需要記住絕大數情況下，Redo是實體日誌即可，DML對頁的修改操作，均需要記錄Redo.

Redo 的作用

Redo log的主要作用是用於資料庫的崩潰復原

Redo 的組成

Redo log可以簡單分成以下兩個部分：

  • 一是記憶體中重做日誌緩衝(redo log buffer),是易失的，在記憶體中

  • 二是重做日誌檔(redo log file )，是持久的，保存在磁碟中

什麼時候寫Redo?

上面那張圖簡單地體現了Redo的寫入流程，這裡再細說下寫入Redo的時機：

  • 在資料頁修改完成之後，在髒頁刷出磁碟之前，寫入redo日誌。注意的是先修改數據，後寫日誌

  • redo日誌比數據頁先寫回磁碟

  • 聚集索引、二級索引、undo頁面的修改，均需記錄Redo日誌。

Redo的整體流程

下面以更新交易為例，在宏觀上掌握redo log 流轉過程，如下圖所示：

MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文）

  • 第一步：先將原始資料從磁碟中讀入記憶體中來，修改資料的記憶體拷貝

  • #第二步：產生一條重做日誌並寫入redo log buffer，記錄的是資料被修改後的值

  • 第三步：當交易commit時，將redo log buffer中的內容刷新到redo log file，對redo log file採用追加寫的方式

  • 第四步：定期將記憶體中修改的資料刷新到磁碟中

redo如何保證交易的持久性？

InnoDB是交易的儲存引擎，其透過Force Log at Commit 機制實現交易的持久性，即當交易提交時，先將redo log buffer 寫入到redo log file 進行持久化，待交易的commit作業完成時才算完成。這種做法也稱為 Write-Ahead Log(預先日誌持久化)，在持久化一個資料頁之前，先將記憶體中對應的日誌頁持久化。

為了確保每次日誌都寫入redo log file，在每次將redo buffer寫入redo log file之後，預設情況下，InnoDB儲存引擎都需要呼叫一次fsync操作 ,因為重做日誌開啟並沒有O_DIRECT選項，所以重做日誌先寫入到檔案系統快取。為了確保重做日誌寫入到磁碟，必須進行一次 fsync操作。 fsync是一種系統呼叫操作，其fsync的效率取決於磁碟的效能，因此磁碟的效能也影響了交易提交的效能，也就是資料庫的效能。
(O_DIRECT選項是在Linux系統中的選項，使用該選項後，對檔案進行直接IO操作，不經過檔案系統緩存，直接寫入磁碟)

##上面提到的

Force Log at Commit機制就是靠InnoDB儲存引擎提供的參數innodb_flush_log_at_trx_commit來控制的，該參數可以控制redo log刷新到磁碟的策略，設定該參數值也可以允許使用者設定非持久性的情況發生，具體如下：

  • 當設定參數為1時，（預設為1），表示交易提交時必須呼叫一次

    fsync 操作，最安全的配置，保障持久性

  • 當設定參數為2時，則在交易提交時只做write 操作，只保證將redo log buffer寫到系統的頁面快取中，不進行fsync操作，因此如果MySQL資料庫宕機時不會遺失事務，但作業系統宕機則可能遺失事務

  • 當設定參數為0時，表示交易提交時不進行寫入redo log操作，這個操作僅在master thread 完成，而在master thread每1秒進行一次重做日誌的fsync操作，因此實例crash 最多遺失1秒鐘內的交易。 （master thread是負責將緩衝池中的資料非同步刷新到磁碟，保證資料的一致性）

#fsync和write操作其實是系統呼叫函數，在許多持久化場景都有使用到，例如Redis 的AOF持久化中也使用到兩個函數。 fsync操作將資料提交到硬碟中，強制硬碟同步，將一直阻塞到寫入硬碟完成後返回，大量進行fsync操作就有效能瓶頸，而write 操作將資料寫到系統的頁面快取後立即返回，後面依靠系統的調度機制將快取資料刷到磁碟中去,其順序是user buffer——> page cache——>disk。

MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文）

除了上面談到的Force Log at Commit機制保證交易的持久性，實際上重做日誌的實作還要依賴於mini-transaction。

Redo在InnoDB中是如何實現的？與mini-transaction的聯繫？

Redo的實作實際上跟mini-transaction緊密相關，mini-transaction是一種InnoDB內部使用的機制，透過mini-transaction來保證並發事務操作下以及資料庫異常時資料頁中數據的一致性，但它不屬於事務。

為了使得mini-transaction保證資料頁資料的一致性，mini-transaction必須遵循以下三種協定：

  • The FIX Rules

  • Write-Ahead Log

  • #Force-log-at-commit

## The FIX Rules

修改一個資料頁時需要取得該頁的x-latch(排他鎖)，取得一個資料頁時需要該頁的s-latch(讀鎖定或稱為共用鎖) 或是x-latch，持有該頁的鎖直到修改或存取該頁的操作完成。

Write-Ahead Log

在前面闡述中就提到了Write-Ahead Log(預先寫日誌)。在持久化一個資料頁之前，必須先將記憶體中對應的日誌頁持久化。每個頁都有一個LSN(log sequence number)，代表日誌序號，（LSN佔用8字節，單調遞增), 當一個資料頁需要寫入到持久化設備之前，要求記憶體中小於該頁LSN的日誌先寫入持久化設備

那為什麼必須先寫日誌呢？可不可以不寫日誌，直接將資料寫入磁碟？原則上是可以的，只不過會產生一些問題，資料修改會產生隨機IO，但日誌是順序IO，append方式順序寫，是一種串列的方式，這樣才能充分利用磁碟的效能。

Force-log-at-commit

這一點也就是前文提到的如何保證事務的持久性的內容，這裡再次總結一下，與上面的內容相呼應。在一個交易中可以修改多個頁，Write-Ahead Log 可以保證單一資料頁的一致性，但無法保證交易的持久性，Force-log-at-commit 要求當一個交易提交時，其產生所有的mini -transaction 日誌必須刷新到磁碟中，若日誌刷新完成後，在緩衝池中的頁刷新到持久化儲存裝置前資料庫發生了宕機，那麼資料庫重新啟動時，可以透過日誌來保證資料的完整性。

重做日誌的寫入流程

MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文）

#上圖表示了重做日誌的寫入流程，每個mini-transaction對應每一條DML操作，例如一條update語句，其由mini-transaction來保證，對資料修改後，產生redo1，首先將其寫入mini-transaction私有的Buffer中，update語句結束後，將redo1從私有Buffer拷貝到公有的Log Buffer。當整個外部交易提交時，將redo log buffer再刷入到redo log file中。

undo log

undo log的定義

undo log主要記錄的是資料的邏輯變化，為了在發生錯誤時回滾之前的操作，需要將先前的操作都記錄下來，然後在發生錯誤時才可以回滾。

undo log的作用

undo是一種邏輯日誌，有兩個作用：

  • 用於交易的回滾

  • MVCC

關於MVCC(多版本並發控制)的內容這裡就不多說了，本文將重點放在undo log用於交易的回溯。

undo日誌，只將資料庫邏輯地恢復到原來的樣子，在回滾的時候，它實際上是做的相反的工作，比如一條INSERT ，對應一條DELETE，對於每個UPDATE,對應一條相反的UPDATE,將修改前的行放回去。 undo日誌用於交易的回滾操作進而保障了交易的原子性。

undo log的寫入時機

  • DML作業修改叢集索引前，記錄undo日誌

  • 二級索引記錄的修改，不記錄undo日誌

要注意的是，undo頁面的修改，同樣需要記錄redo日誌。

undo的儲存位置

在InnoDB儲存引擎中，undo儲存在回滾區段(Rollback 在Segment)中,每個回滾段記錄了1024個undo log segment，而在每個undo log segment段中進行undo 頁的申請，在5.6以前，Rollback Segment是在共享表空間裡的，5.6.3之後，可透過 innodb_undo_tablespace設定undo儲存的位置。

undo的類型

##在InnoDB儲存引擎中，undo log分為：

  • insert undo log

  • update undo log

insert undo log是指在insert 操作中產生的undo log，因為insert操作的記錄，只對事務本身可見，對其他事務不可見。故該undo log可以在交易提交後直接刪除，不需要進行purge操作。

而update undo log記錄的是對delete 和update操作產生的undo log，該undo log可能需要提供MVCC機制，因此不能再交易提交時就進行刪除。提交時放入undo log鍊錶，等待purge執行緒進行最後的刪除。

補充：purge執行緒兩個主要作用是：清理undo頁和清除page裡面有Delete_Bit標識的資料行。在InnoDB中，交易中的Delete操作其實不是真正的刪除資料行，而是一種Delete Mark操作，在記錄上標識Delete_Bit，而不刪除記錄。是一種"假刪除",只是做了個標記，真正的刪除工作需要後台purge線程去完成。

undo log 是否是redo log的逆過程？

undo log 是否是redo log的逆過程？其實從前文就可以得出答案了，undo log是邏輯日誌，對事務回滾時，只是將資料庫邏輯地恢復到原來的樣子，而redo log是實體日誌，記錄的是資料頁的實體變化，顯然undo log不是redo log的逆過程。

redo & undo總結

以下是redo log undo log的簡化過程，以便於理解兩種日誌的過程：

假设有A、B两个数据，值分别为1,2.
1. 事务开始
2. 记录A=1到undo log
3. 修改A=3
4. 记录A=3到 redo log
5. 记录B=2到 undo log
6. 修改B=4
7. 记录B=4到redo log
8. 将redo log写入磁盘
9. 事务提交
實際上，在insert/update/delete操作中，redo和undo分別記錄的內容都不一樣，量也不一樣。在InnoDB記憶體中，一般的順序如下：

  • 寫undo的redo

  • 寫undo

    • ##修改資料頁

    • 寫Redo

#小結

本文分析了事務中的redo和undo日誌，參考了一些資料書整理得出，可能有些地方表述的不清楚。如有不對之處，歡迎指出。

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以上是MySQL事務中的redo與undo的分析（圖文）的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！

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