MySQL事务日志-Undo Log工作原理分析

2.1 Undo Log

2.1.1 Undo Log与原子性

事务的持久性是交由Redo Log来保证，原子性则是交由Undo Log来保证。如果事务中的SQL执行到一半出现错误，需要把前面已经执行过的SQL撤销以达到原子性的目的，这个过程也叫做"回滚"，所以Undo Log也叫回滚日志。

Undo Log记录了数据在每个操作前的状态，这些记录包括旧的数据值和事务的 ID。如果事务执行过程中需要回滚，就可以根据Undo Log进行回滚操作。

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),把回滚时所需的东西记下来。比如：

• 当执行了一条insert语句时：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。对于事务中的每个insert语句，在事务回滚时InnoDB都会完成一个delete操作。
• 当执行了一条delete语句时：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。对于事务中的每个delete语句，在事务回滚时InnoDB都会完成一个insert操作。
• 当执行了一条update语句时：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。对于事务中的每个update语句，在事务回滚时InnoDB都会完成一个反向的update操作。

另外，Undo Log 也是实现多版本并发控制的基础，通过保存旧版本的数据，InnoDB 可以在并发事务中提供隔离级别，如读已提交（Read Committed）、可重复读（Repeatable Read）等。

Tips：Undo Log主要保证事务的原子性，即通过记录修改前的状态，以提供回滚功能，其次Undo Log用于提供MVCC的快照读。

2.1.2 Undo的存储格式

Redo属于物理日志，即记录了数据库页的物理修改操作，比如页上的哪些字节被更改，具体到物理结构上。Undo属于逻辑日志，即记录了从逻辑角度如何撤销已经发生的变更的信息，第一步第二步该如何做等，通常包括了反向操作所需要的数据。

Tips：“Redo属于物理日志”意味着它详细记录了物理层面的数据页是如何被改变的；而“Undo属于逻辑日志”则表示它更多是从逻辑角度出发，记录了为实现某种目的（如回滚或访问历史版本）所需执行的操作步骤。这两者共同保障了MySQL数据库中事务处理的ACID特性。

在InnoDB中，所有表中都会有三个隐藏的列，分别为：DB_ROW_ID、DB_TRX_ID、DB_ROLL_PTR。

• DB_TRX_ID：数据行版本号，也叫事务ID。当有新的数据修改或插入时的事务ID号，用于记录修改这条记录的事务ID和创建这条记录的事务ID。（记录这条数据是哪个事务修改的，哪个事务创建的）
• DB_ROLL_PTR：删除行版本号，也叫回滚指针。指向Undo Log中这条记录的上一个版本，删除记录，记录当前事务ID。（记录这条数据是哪个事务删除的）
• DB_ROW_ID：聚集索引。如果数据表没有主键，InnoDB会创建一个DB_ROW_ID作为聚集索引。

其中事务ID与回滚指针和Undo Log日志密切相关，另外在InnoDB中，Undo Log分为Insert Undo Log和update Undo Log两种类型，其中删除操作也是借助update Undo Log来完成的。

1）insert类型Undo Log

执行如下insert语句：

insert into user values(1,"小灰",20);

当事务开启后，执行的insert语句都会以“insert类型的undo log”记录在undo log日志中，本次事务插入的所有的数据行的版本号字段都为当前事务的ID。

如果需要进行事务回滚，根据undo log中记录的主键进行delete操作即可。

2）delete类型Undo Log

执行如下delete语句：

delete from user where id=1;

当事务开启后，InnoDB对于delete语句的流程是：

• 1）将被删除的行以“update类型的undo log”记录到undo log日志中。
• 2）将该行的事务ID设置为当前事务ID，回滚指针设置为被删除前那条记录的事务ID。
• 3）将删除标记设置为1，表示该记录是被删除掉的记录。
• 4）更改表空间。

3）update类型Undo Log

执行如下update语句：

update user set name="小绿" where id=1;

当事务开启后，InnoDB对于update语句的流程是：

• 1）将被修改的行以“update类型的undo log”记录到undo log日志中。
• 2）将该行的事务ID设置为当前事务ID，回滚指针设置为被删除前那条记录的事务ID。
• 3）更改表空间。

当同一条数据被修改多次，那么Undo Log将通过数据的事务ID和回滚指针能够形成一个非常好的修改链路：

2.1.3 Undo Log的工作原理

InnoDB在MySQL启动时，会在内存中构建一个BufferPool，而这个缓冲池主要存放两类东西，一类是数据相关的缓冲，如索引、锁、表数据等，另一类则是各种日志的缓冲，如Undo、Redo....等日志。当一条写SQL执行时，MySQL并不会直接去往磁盘中的ibd文件写数据，而是先修改内存中的Buffer Pool，这样性能就能得到极大的提升。

与Redo Log一样，Undo Log也存在内存缓冲区，即Undo Log Buffer。当一条写SQL执行时，不会直接去往磁盘中的xx.ibdata文件中的Undo Log写数据，而是会写在undo_log_buffer缓冲区中，因为工作线程直接去写磁盘太影响效率了，写进缓冲区后会由后台线程去刷写磁盘。

• Undo Log完整的工作原理如下：

首先在操作表时，会将表数据从磁盘（.idb）加载到内存中（Buffer），对表的update/delete等操作InnoDB都会事先将修改前的数据备份到Undo Buffer中，这样当事务进行回滚时可以根据Undo Buffer中的内容进行事务的回滚操作，除此之外，Undo Buffer提供了数据的快照读取，在事务未提交之前，Undo 日志可以作为并发读写时的读快照，来保证事务的可重复读；

事务做到一半了，失败了，那就要将数据还原到未提交之前的状态，undo 就是记录这些事务步骤的。当然了redo 也记录了，但是redo里面东西太繁杂，不可能什么事都找它（主要是Redo和Undo的格式不一样，应用场景也不一样），于是就将事务步骤写入另外一个地方：undo，以后遇到回滚了就去查找因此在每一步操作时都会写入磁盘中的Undo Log；

引入Undo Log Buffer是来提升Undo Log的性能的，比较操作内存要比操作磁盘快多了，但由此也引入了另外一个问题，那就是既然内存中记录了Undo Log的值，为什么还要在磁盘中也记录Undo Log的值呢？难道Undo Log也要保证持久性？

并不是，在InnoDB中持久性由Redo保证。Undo之所以要写人磁盘是因为InnoDB对数据进行了多版本的控制（MVCC）。

观察如下案例：

如果当前的事务隔离级别为RR（可重复读），那么在session-02事务中修改的数据是不能被查询出来。那数据库表中id=1的这一行数据的name值有没有被改为"小蓝"呢？答案是肯定的，因为事务都已经提交了，磁盘表中的name已经修改为了"小蓝"。这就引入了一个问题，并不是提交的数据就一定能被查询出来的，有时候需要查询旧数据。Undo Log正是保存那些旧版本的数据，让其在其他事务中可见。

2.1.4 Undo Log的系统参数

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，每个事务只会使用一个回滚段，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。

在MySQL5.5的时候，只有一个回滚段，那么最大同时支持的事务数量为1024个。在MySQL 5.6开始，InnoDB支持最大 128个回滚段，故其支持同时在线的事务限制提高到了 128*1024 。

我们可以查看InnoDB中Undo Log的有关系统参数，在MySQL5.5之前没有太多参数，如下：

mysql> show variables like 'innodb_max_undo_log_size';
+--------------------------+------------+
| Variable_name            | Value      |
+--------------------------+------------+
| innodb_max_undo_log_size | 1073741824 |
+--------------------------+------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> show variables like 'innodb_rollback_segments';
+--------------------------+-------+
| Variable_name            | Value |
+--------------------------+-------+
| innodb_rollback_segments | 128   |
+--------------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

• innodb_max_undo_log_size：本地磁盘文件中，Undo-log的最大值，默认1GB。
• innodb_rollback_segments：指定回滚段的数量，默认为1个。

除开上述两个参数外，其他参数基本上是在MySQL5.6才有的，如下：

mysql> show variables like '%innodb_undo%';
+--------------------------+-------+
| Variable_name            | Value |
+--------------------------+-------+
| innodb_undo_directory    | ./    |
| innodb_undo_log_truncate | OFF   |
| innodb_undo_logs         | 128   |
| innodb_undo_tablespaces  | 0     |
+--------------------------+-------+
4 rows in set (0.00 sec)

• 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，即可以设置为独立表空间。该参数的默认值为“/”，即MySQL的数据文件夹。
• innodb_undo_logs: 设置rollback segment的个数，默认值为128，也就是之前的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。
• innodb_undo_log_truncate：是否开启Undo-log的在线压缩功能，即日志文件超过大小一半时自动压缩，默认OFF关闭。

在MySQL5.5版本以后，Undo-log日志支持单独存放，并且多出了几个参数可以调整Undo-log的区域。

2.1.5 Undo Log与Purge线程

前面提到，事务提交后Undo Log日志并不会马上删除，因为其他事务很可能需要用到该数据。直接移除可能会导致其他事务读不到数据。那么对于废弃的undo log日志在什么时候删除呢？另外磁盘表中的被标记为删除的记录（数据空洞），也需要进行空间释放。这些数据都是由MySQL内部的线程——Purge线程来执行后台删除。

• 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在事务提交后就没有用，就会直接删除。
• 针对于update undo log，该undo log需要支持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，有专门的purge线程进行删除。

有关于Purge线程的参数：

mysql> show variables like '%purge%';
+--------------------------------------+-------+
| Variable_name                        | Value |
+--------------------------------------+-------+
| gtid_purged                          |       |
| innodb_max_purge_lag                 | 0     |
| innodb_max_purge_lag_delay           | 0     |
| innodb_purge_batch_size              | 300   |
| innodb_purge_rseg_truncate_frequency | 128   |
| innodb_purge_threads                 | 4     |
| relay_log_purge                      | ON    |
+--------------------------------------+-------+
7 rows in set (0.01 sec)

• innodb_max_purge_lag：当InnoDB存储引擎压力非常大时，Purge线程可能并不会工作，此时是否要延缓DML的操作，innodb_max_purge_lag控制Undo Log的数量，如果数量大于该值，就延缓DML的操作，默认为0，代表不延缓；
• innodb_max_purge_lag_delay：表示当上面innodb_max_purge_lag的delay超时时间太大，超过这个参数时，将delay设置为该参数值，防止purge线程操作缓慢导致其他SQL线程长期处于等待状态。默认为0，一般不用修改。
• innodb_purge_batch_size：用来设置每次purge操作需要清理的Undo Log page的数量。
• innodb_purge_threads：Purge线程的数量（默认为4，最大为32）