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MySQL之日志

日志是 mysql 数据库的重要组成部分,记录着数据库运行期间各种状态信息。mysql日志主要包括错误日志、查询日志、慢查询日志、事务日志、二进制日志几大类。

作为开发,我们重点需要关注的是二进制日志( binlog )和事务日志(包括redo log 和 undo log ),本文接下来会详细介绍这三种日志。

1. binlog

binlog 用于记录数据库执行的写入性操作(不包括查询)信息,以二进制的形式保存在磁盘中。binlog 是 mysql的逻辑日志,并且由 Server 层进行记录,使用任何存储引擎的 mysql 数据库都会记录 binlog 日志。

  • 逻辑日志:可以简单理解为记录的就是sql语句 。
  • 物理日志mysql 数据最终是保存在数据页中的,物理日志记录的就是数据页变更 。

binlog 是通过追加的方式进行写入的,可以通过max_binlog_size 参数设置每个 binlog文件的大小,当文件大小达到给定值之后,会生成新的文件来保存日志。

1.1 binlog 使用场景

在实际应用中, binlog 的主要使用场景有两个,分别是 主从复制 和 数据恢复 。

  1. 主从复制 :在 Master 端开启 binlog ,然后将 binlog发送到各个 Slave 端, Slave 端重放 binlog 从而达到主从数据一致。
  2. 数据恢复 :通过使用 mysqlbinlog 工具来恢复数据。

1.2 binlog 刷盘时机

对于 InnoDB 存储引擎而言,只有在事务提交时才会记录biglog ,此时记录还在内存中,那么 biglog是什么时候刷到磁盘中的呢?

mysql 通过 sync_binlog 参数控制 biglog 的刷盘时机,取值范围是 0-N

  • 0:不去强制要求,由系统自行判断何时写入磁盘;
  • 1:每次 commit 的时候都要将 binlog 写入磁盘;
  • N:每N个事务,才会将 binlog 写入磁盘。

image.png 从上面可以看出, sync_binlog 最安全的是设置是 1 ,这也是MySQL 5.7.7之后版本的默认值。但是设置一个大一些的值可以提升数据库性能,因此实际情况下也可以将值适当调大,牺牲一定的一致性来获取更好的性能。

1.3 binlog日志格式

binlog 日志有三种格式,分别为 STATMENT 、 ROW 和 MIXED

在 MySQL 5.7.7 之前,默认的格式是 STATEMENT , MySQL 5.7.7 之后,默认值是 ROW。日志格式通过 binlog-format 指定。

  • STATMENT:基于SQL 语句的复制( statement-based replication, SBR ),每一条会修改数据的sql语句会记录到binlog 中  。
    • 优点:不需要记录每一行的变化,减少了 binlog 日志量,节约了  IO  , 从而提高了性能;
    • 缺点:在某些情况下会导致主从数据不一致,比如执行sysdate() 、  slepp()  等 。
  • ROW:基于行的复制(row-based replication, RBR ),不记录每条sql语句的上下文信息,仅需记录哪条数据被修改了
    • 优点:不会出现某些特定情况下的存储过程、或function、或trigger的调用和触发无法被正确复制的问题 ;
    • 缺点:会产生大量的日志,尤其是alter table 的时候会让日志暴涨
  • MIXED:基于STATMENT 和 ROW 两种模式的混合复制(mixed-based replication, MBR ),一般的复制使用STATEMENT 模式保存 binlog ,对于 STATEMENT 模式无法复制的操作使用 ROW 模式保存 binlog

2. redo log

2.1 为什么需要 redo log

我们都知道,事务的四大特性里面有一个是 持久性 ,具体来说就是只要事务提交成功,那么对数据库做的修改就被永久保存下来了,不可能因为任何原因再回到原来的状态 。

那么 mysql是如何保证一致性的呢?

最简单的做法是在每次事务提交的时候,将该事务涉及修改的数据页全部刷新到磁盘中。但是这么做会有严重的性能问题,主要体现在两个方面:

  1. 因为 Innodb 是以  为单位进行磁盘交互的,而一个事务很可能只修改一个数据页里面的几个字节,这个时候将完整的数据页刷到磁盘的话,太浪费资源了!
  2. 一个事务可能涉及修改多个数据页,并且这些数据页在物理上并不连续,使用随机IO写入性能太差!

因此 mysql 设计了 redo log , 具体来说就是只记录事务对数据页做了哪些修改,这样就能完美地解决性能问题了(相对而言文件更小并且是顺序IO)。\

2.2 redo log 基本概念

Redo log 是重做日志,属于 InnoDB储存引擎的日志。是物理日志,日志记录的内容是数据页的更改,这个页"做了什么改动"。如:add xx记录 to Page1,向数据页Page1增加一个记录。 redo log 包括两部分:

  • 一个是内存中的日志缓冲( redo log buffer )
  • 另一个是磁盘上的日志文件( redo logfile)

mysql 每执行一条 DML 语句,先将记录写入 redo log buffer,后续某个时间点再一次性将多个操作记录写到 redo log file。这种 先写日志,再写磁盘 的技术就是 MySQL 里经常说到的 WAL(Write-Ahead Logging) 技术。

2.3 redo log 作用

  • 前滚操作:具备 crash-safe 能力,提供断电重启时解决事务丢失数据问题
  • 提高性能:mysql 每执行一条 DML 语句,先将记录写入 redo log buffer。当等到有空闲线程、内存不足、Redo Log满了时刷脏。写Redo log 是顺序写入,刷脏是随机写,节省的是随机写磁盘的 IO 消耗 (转成顺序写),所以性能得到提升。此技术成为WAL技术:Write-Ahead Logging,它的关键点就是先写日志磁盘,再写数据磁盘。具体来说,当有一条记录需要更新的时候,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log里面,并更新内存,这个时候更新就算完成了。同时,InnoDB 引擎会在适当的时候,将这个操作记录更新到磁盘里面,而这个更新往往是在系统比较空闲的时候做

2.4 redo log两阶段提交

mysql为了保证 Binlog 和 Redo log 数据的一致性,采用了两阶段提交。如下图所示: image.png 可以看到将 redo log 的写入拆成了两个步骤:prepare 和 commit两个阶段

为什么需要采用"两阶段提交"呢?

这里假设不采用"两阶段提交"的话,写入完 redo log,接着写binlog时,这时候数据库崩溃,这时候 binlog 里面就没有记录这个语句。但是 redo log里面会保存这条c的值是1的更改动作的记录,数据库崩溃我们也可以通过redo log的日志将数据恢复过来。如果我们需要备份日志的时候,存起来的 binlog 没有这条语句,需要用这个 binlog 来恢复临时库的话,由于这个语句的 binlog 丢失,这个临时库就会少了这一次更新,恢复出来的这一行 c 的值就是 0,与原库的值不同。所以我们需要保证redo log 跟 binlog 数据一致性。

2.5 redo log容灾恢复过程

  • 判断 redo log 是否完整,如果判断是完整(commit)的,直接用 Redo log恢复
  • 如果 redo log 只是预提交 prepare 但不是 commit 状态,这个时候会去判断 binlog 是否完整,如果完整就提交 Redo log,用 Redo log 恢复,不完整就回滚事务,丢弃数据。

只有在 redo log 状态为 prepare 时,才会去检查 binlog 是否存在,否则只校验 redo log 是否是 commit 就可以啦。怎么检查 binlog:一个完整事务 binlog 结尾有固定的格式。

2.6 redo log的刷盘时机

在计算机操作系统中,用户空间( user space )下的缓冲区数据一般情况下是无法直接写入磁盘的,中间必须经过操作系统内核空间( kernel space )缓冲区( OS Buffer )。

因此, redo log buffer 写入 redo logfile 实际上是先写入 OS Buffer ,然后再通过系统调用 fsync() 将其刷到 redo log file 中,过程如下:

image.png mysql 支持三种将 redo log buffer 写入 redo log file 的时机,可以通过 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数配置,各参数值含义如下:

该变量有3种值:0、1、2,默认为1。但注意,这个变量只是控制commit动作是否刷新log buffer到磁盘。

  • 1:事务每次提交都会将log buffer中的日志写入os buffer并调用fsync()刷到log file on disk中。这种方式即使系统崩溃也不会丢失任何数据,但是因为每次提交都写入磁盘,IO的性能较差。
  • 0:事务提交时不会将log buffer中日志写入到os buffer,而是每秒写入os buffer并调用fsync()写入到log file on disk中。也就是说设置为0时是(大约)每秒刷新写入到磁盘中的,当系统崩溃,会丢失1秒钟的数据。
  • 2:每次提交都仅写入到os buffer,然后是每秒调用fsync()将os buffer中的日志写入到log file on disk。

image.png

2.3 redo log记录形式

前面说过, redo log 实际上记录数据页的变更,而这种变更记录是没必要全部保存,因此 redo log实现上采用了大小固定,循环写入的方式,当写到结尾时,会回到开头循环写日志。如下图: image.png 同时我们很容易得知, 在innodb中,既有redo log 需要刷盘,还有 数据页 也需要刷盘, redo log存在的意义主要就是降低对 数据页 刷盘的要求,

  • write pos 表示 redo log 当前记录的 LSN (逻辑序列号)位置, 
  • check point 表示 数据页更改记录 刷盘后对应 redo log 所处的 LSN(逻辑序列号)位置。

write pos 到 check point 之间的部分是 redo log 空着的部分,用于记录新的记录;check point 到 write pos 之间是 redo log 待落盘的数据页更改记录。当 write pos追上check point 时,会先推动 check point 向前移动,空出位置再记录新的日志。

redo log 容灾恢复过程

启动 innodb 的时候,不管上次是正常关闭还是异常关闭,总是会进行恢复操作。因为 redo log记录的是数据页的物理变化,因此恢复的时候速度比逻辑日志(如 binlog )要快很多。\

重启innodb 时,首先会检查磁盘中数据页的 LSN ,如果数据页的LSN 小于日志中的 LSN ,则会从 checkpoint 开始恢复。

日志的逻辑序列号(log sequence number) LSN

还有一种情况,在宕机前正处于checkpoint 的刷盘过程,且数据页的刷盘进度超过了日志页的刷盘进度,此时会出现数据页中记录的 LSN 大于日志中的 LSN,这时超出日志进度的部分将不会重做,因为这本身就表示已经做过的事情,无需再重做。

提问1: 为啥 Binlog 没有 crash-safe 功能?

redo log 和 binlog 有一个很大的区别就是,一个是循环写,一个是追加写。也就是说 redo log 只会记录未刷盘的日志,已经刷入磁盘的数据都会从 redo log 这个有限大小的日志文件里删除。binlog 是追加日志,保存的是全量日志。

当数据库 crash 后,想要恢复未刷盘但已经写入 redo log 和 binlog 的数据,binlog 是无法恢复的。虽然 binlog 拥有全量的日志,但没有一个标志让 innodb 判断哪些数据已经刷盘,哪些数据还没有

举个例子, binlog 记录了两条日志:

        1. 给 ID = 2 这一行的 c 字段加1
        2. 给 ID = 2 这一行的 c 字段加2
复制代码

在记录1刷盘后,记录2未刷盘时,数据库 crash。重启后,只通过 binlog 数据库无法判断这两条记录哪条已经写入磁盘,哪条没有写入磁盘,不管是两条都恢复至内存,还是都不恢复,对 ID=2 这行数据来说,都不对

但 redo log 不一样,只要刷入磁盘的数据,都会从 redo log 中抹掉,数据库重启后,直接把 redo log 中的数据都恢复至内存就可以了。这就是为什么 redo log 具有 crash-safe 的能力,而 binlog 不具备

提问2: 保证 crash-safe 为啥要用两个日记,不能用一个日记吗(Redo log 或 Binglog)?

针对问题1我们知道只有 binlog 日志,没有 redo log 是不能做到故障恢复的。那么针对只有 redo log日志,没有 binlog 日志,这也是不行的,因为 redo log 是 innodb 持有的,且日志上的记录落盘后会被抹掉。因此需要 binlog 和 redo log 两者同时记录,才能保证当数据库发生宕机重启时,数据不会丢失。

redo log与binlog区别

image.png

由 binlog 和 redo log 的区别可知:binlog 日志只用于归档,只依靠 binlog 是没有 crash-safe 能力的。

但只有 redo log 也不行,因为 redo log 是 InnoDB特有的,且日志上的记录落盘后会被覆盖掉。因此需要 binlog和 redo log二者同时记录,才能保证当数据库发生宕机重启时,数据不会丢失。

3. undo log

我们都知道事务四大特性中有一个是原子性,具体来说就是 原子性是指对数据库的一系列操作,要么全部成功,要么全部失败,不可能出现部分成功的情况

实际上,原子性 底层就是通过 undo log 实现的。undo log 主要记录了数据的逻辑变化,比如一条INSERT 语句,对应着有一条的DELETE的undo log,对于每个UPDATE 语句,对应一条相反的 UPDATE 的 undo log,这样在发生错误时,就能回滚到事务之前的数据状态

undo log 和 redo log 是属于innodb 引擎的日志

3.1 undo log 作用

undo log有两个作用

  • 回滚数据:当数据发生异常错误时,根据执行 undo log 就可以回滚到事务之前的数据状态,保证原子性,要么全部成功,要么全部失败
  • MVCC 一致性视图:通过 undo log 找到对应的数据版本号,是保证 MVCC 视图的一致性的必要条件

3.2 undo log 记录过程及刷盘时机

undo log 的记录过程的话跟 redo log 过程差不多,都是先记录到 Log Buffer 中,然后通过刷盘时机将 buffer 中的日志 刷新到 undo log file 中。但是对于 undo log 没找到对应的刷盘参数设计

在数据修改的时候,不仅记录了redo,还记录了相对应的undo,如果因为某些原因导致事务失败或回滚了,可以借助该undo进行回滚。

undo log和redo log记录物理日志不一样,它是逻辑日志。比如:

  • 当delete一条记录时,undo log中会记录一条对应的insert记录,反之亦然;
  • 当update一条记录时,它记录一条对应相反的update记录。

当执行rollback时,就可以从undo log中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚。有时候应用到行版本控制的时候,也是通过undo log来实现的:当读取的某一行被其他事务锁定时,它可以从undo log中分析出该行记录以前的数据是什么,从而提供该行版本信息,让用户实现非锁定一致性读取。

undo log 是采用段(segment) 的方式来记录的,每个undo 操作在记录的时候占用一个undo log segment

另外,undo log 也会产生redo log ,因为undo log 也要实现持久性保护。

3.3 undo log的存储方式

innodb存储引擎对undo的管理采用段的方式。rollback segment 称为回滚段,每个回滚段中有1024 个undo log segment

在以前老版本,只支持1个rollback segment,这样就只能记录1024个undo log segment。后来MySQL5.5可以支持128个rollback segment,即支持128*1024个undo操作,还可以通过变量 innodb_undo_logs (5.6版本以前该变量是 innodb_rollback_segments )自定义多少个rollback segment,默认值为128。

undo log默认存放在共享表空间中。

[root@wxw data]# ll /mydata/data/ib*
-rw-rw---- 1 mysql mysql 79691776 Mar 31 01:42 /mydata/data/ibdata1
-rw-rw---- 1 mysql mysql 50331648 Mar 31 01:42 /mydata/data/ib_logfile0
-rw-rw---- 1 mysql mysql 50331648 Mar 31 01:42 /mydata/data/ib_logfile1
复制代码

如果开启了 innodb_file_per_table ,将放在每个表的.ibd文件中。

undo log相关的变量

 mysql> show variables like "%undo%";
+-------------------------+-------+
| Variable_name           | Value |
+-------------------------+-------+
| innodb_undo_directory   | .     |
| innodb_undo_logs        | 128   |
| innodb_undo_tablespaces | 0     |
+-------------------------+-------+
复制代码

3.3 delete/update操作的内部机制

当事务提交的时候,innodb不会立即删除undo log,因为后续还可能会用到undo log,如隔离级别为repeatable read时,事务读取的都是开启事务时的最新提交行版本,只要该事务不结束,该行版本就不能删除,即undo log不能删除。

但是在事务提交的时候,会将该事务对应的undo log放入到删除列表中,未来通过purge来删除。并且提交事务时,还会判断undo log分配的页是否可以重用,如果可以重用,则会分配给后面来的事务,避免为每个独立的事务分配独立的undo log页而浪费存储空间和性能。

通过undo log记录delete和update操作的结果发现:(insert操作无需分析,就是插入行而已)

  • delete操作实际上不会直接删除,而是将delete对象打上delete flag,标记为删除,最终的删除操作是purge线程完成的。
  • update分为两种情况:update的列是否是主键列。
    • 如果不是主键列,在undo log中直接反向记录是如何update的。即update是直接进行的。
    • 如果是主键列,update分两部执行:先删除该行,再插入一行目标行。

4. 小总结

4.1 梳理下事务执行的各个阶段:

  1. 写undo日志到undo log buffer;
  2. 执行事务,并写redo日志到redo log buffer;
  3. 如果innodb_flush_log_at_trx_commit=1,则将redo日志写到redo log file,并刷新到磁盘(落盘)。
  4. 提交事务。

4.2 redo log 和bin log 日志的区别

  • redo log不是二进制日志。虽然二进制日志中也记录了innodb表的很多操作,也能实现重做的功能,但是它们之间有很大区别。

  • 二进制日志是在服务层产生的,不管是什么存储引擎,对数据库进行了修改都会产生二进制日志。而redo log是innodb层产生的,只记录该存储引擎中表的修改。并且二进制日志先于redo log被记录

  • 二进制日志记录操作的方法是逻辑性的语句。即便它是基于行格式的记录方式,其本质也还是逻辑的SQL设置,如该行记录的每列的值是多少。而redo log是在物理格式上的日志,它记录的是数据库中每个页的修改。

  • 二进制日志只在每次事务提交的时候一次性写入缓存中的日志"文件"(对于非事务表的操作,则是每次执行语句成功后就直接写入)。而redo log在数据准备修改前写入缓存中的redo log中,然后才对缓存中的数据执行修改操作;而且保证在发出事务提交指令时,先向缓存中的redo log写入日志,写入完成后才执行提交动作。

  • 因为二进制日志只在提交的时候一次性写入,所以二进制日志中的记录方式和提交顺序有关,且一次提交对应一次记录。而redo log中是记录的物理页的修改,redo log文件中同一个事务可能多次记录,最后一个提交的事务记录会覆盖所有未提交的事务记录。例如事务T1,可能在redo log中记录了 T1-1,T1-2,T1-3,T1* 共4个操作,其中 T1* 表示最后提交时的日志记录,所以对应的数据页最终状态是 T1* 对应的操作结果。而且redo log是并发写入的,不同事务之间的不同版本的记录会穿插写入到redo log文件中,例如可能redo log的记录方式如下: T1-1,T1-2,T2-1,T2-2,T2*,T1-3,T1* 。

  • 事务日志记录的是物理页的情况,它具有幂等性,因此记录日志的方式极其简练。幂等性的意思是多次操作前后状态是一样的,例如新插入一行后又删除该行,前后状态没有变化。而二进制日志记录的是所有影响数据的操作,记录的内容较多。例如插入一行记录一次,删除该行又记录一次。

5. 写在最后

前面主要介绍了 binlog、redo log、undo log三种日志。binlog是属于mysql Server层的,属于整个mysql的,而redo log、undo log是属于innodb存储引擎独有的,redo log、undo log是事务日志,binlog是二进制日志负责记录对mysql数据库有修改的sql操作。其中还有难懂的点就是redo log进行容灾恢复的过程LSN(日志逻辑序列号)的比较,里面并不简简单单就是我列举的那样,因为篇幅有限,这里就没做具体的详解了,只列举了一个大概的比较过程。

在工作中,一直认为编程代码不是最重要的,重要的是在工作中所养成的编程思维。

参考文章

  1. blog.csdn.net/qq_41893274…
  2. blog.csdn.net/qq_41893274…
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