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:

  • 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)
  • 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)
  • 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  |
+------------------+-------+
复制代码

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
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  • 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:

image.png

有了Redo Log和Undo Log之后:

image.png 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。

image.png

当我们执行INSERT时:

begin;
INSERT INTO user (name) VALUES ("tom");
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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。

image.png

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;
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image.png

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;
复制代码

image.png

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

image.png

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

MySQL从入门到精通
MySQL是怎样运行的 从根儿上理解MySQL 第22和23章
《MySQL技术内幕:InnoDB存储引擎(第2版)》
《数据库索引设计与优化》

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