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MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

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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 的 前置操作 其实是要先写入一个 undo log 。

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"一一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也需要持久性的保护。

2. Undo日志的作用

2.1 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、数百甚至数干个并发事务。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。

2.2 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。

3 undo的存储结构

3.1 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（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 。
mysql> show variables like 'innodb_undo_logs';
+------------------+-------+
| Variable_name  | Value |
+------------------+-------+
| innodb_undo_logs | 128  |
+------------------+-------+

虽然InnoDB1.1版本支持了128个rollback segment,但是这些rollback segment都存储于共享表空间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 的文件所在的路径。这意味着rollback segmenti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_1ogs:设置rollback segment的个数，默认值为128。在InnoDB 1.2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 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。我们知道mysql默认一页的大小是16k。

为每一个事务分配一个页，是非常浪费的（除非你的事务非常长），假设你的应用的TPS(每秒处理的事务数目)为1000，那么1s就需要1000个页大概需要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，否则随着时间的推移，磁盘空间会增长的非常快，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udo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。

3.2 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。
  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扩展新的盘区来使用。
  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存储引擎会做以下两件事情：
    • 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

3.3 回滚段中的数据分类

  1. 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。

  2. 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i间的影响。

  3. 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。

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。

5. undo log的生命周期

5.1 简要生成过程

以下是undo+redo事务的简化过程

假设有2个数值，分别为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 A 3;
4.记录A=3到redo log:
5.订录B=2到undo log:
6.update B 4:
7.记录B=4到redo log:
8.将redo log刷新到磁盘
9.commit

  • 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，也可以选择继续完成事务提交，因为此时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：

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

有了Redo Log和Undo Log之后：

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log 在更新Buffer Pool中的数据之前，我们需要先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 来回滚到事务开始前。

5.2 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tx_id中。

  • DB_ROLL_PTR:回滚指针，本质上就是指向undo log的指针。

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

当我们执行INSERT时：

begin;
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 logs会记录undo log的序号、插入主键的列和值，那么在进行rollback的时候，通过主键直接把对应的数据删除即可。

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

当我们执行UPDATE时： 对于更新的操作会产生update undo log,并且会分更新主键的和不更新主键的，假设现在执行：

UPDATE user SET name="Sun" WHERE id=1;

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

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,它的undo no是1，并且新的undo log会指向老的undo log(undo no=0)。

假设现在执行：

UPDATE user SET id=2 WHERE id=1;

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

对于更新主键的操作，会先把原来的数据deletemark标识打开，这时并没有真正的删除数据，真正的删除会交给清理线程去判断，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记录的是变更前的日志，并且每个undo log的序号是递增的，那么当要回滚的时候，按照序号依次向前推，就可以找到我们的原始数据了。

5.3 undo log是如何回滚的

以上面的例子来说，假设执行rollback,那么对应的流程应该是这样:

  1. 通过undo no=3的日志把id=2的数据删除
  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

5.4 undo log的删除

  • 针对于insert 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。故该undo log可以在事务提交后直接删 除，不需要进行purge操作。
  • 针对于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。

补充： purge线程两个主要作用是：清理undo页和清除page里面带有Delete_Bit标识的数据行。在InnoDB中，事务中的Delete操作实际上并不是真正的删除掉数据行，而是一种Delete Mark操作，在记录上标识Delete_Bit,而不删除记录。是一种"假删除”，只是做了个标记，真正的删除工作需要后台puge线程去完成。

6. 小结

先找是否有加载对应的Buffer Pool，有就使用没有就加载读取 ----> 写入Undo Log —>操作执行数据 —> 写入Redo Log Buffer内存 ----> 写入Redo Log到磁盘文件

MySQL8事务篇3-MySQL事务日志undo log

undo log是逻辑日志，对事务回滚时，只是将数据库逻辑地恢复到原来的样子。

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（逻辑上的逆过程，但是物理上不是直接的逆过程）。

参考文章

转载自:https://juejin.cn/post/7072542855004160030
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