【MySQL】深入解析日志系统:undo log、redo log、bin log

前言

MySQL数据库提供了功能强大的日志系统,其中比较重要的是:undolog、redolog、binlog,今天来深入学习下这三个日志实现细节。

1、undo log

1.1、undo log 是什么

undolog一般叫回滚日志,事务回滚rollback功能就是通过undolog实现的,通过undolog保证了为事务原子性undolog主要功能如下:

  • 事务回滚
  • MVCC

1.2、事务回滚

当开启一段事务还未提交时,事务中的操作可能会出现错误异常,这时候就可以通过undo log将事务中的操作进行回滚(rollback),意思是回到事务开启前那个状态。例如:开启事务后我对表中某条记录进行修改(将该记录字段值由a ------> b ------> c),如果从整个修改过程中出现异常,事务就会回滚,字段的值就回到最初的起点(值为a)。

事务如何通过undo log进行回滚操作呢?这个很好理解,我们只需要在undo log日志中记录事务中的反向操作即可,发生回滚时直接通过undolog中记录的反向操作进行恢复,例如:

事务进行insert操作,undo log记录delete操作 事务进行delete操作,undo log记录insert操作 事务进行update操作(a改为b),undolog记录update操作(b改为a)

接下来了解一下事务是如何通过undo log完成回滚的(undo log版本链),对于InnoDB存储引擎而言,数据页中的每行数据都会分配两个字段:trx_idroll_pointer,在了解这个之后就通过一张图直观的表达undo log记录了:

上图中,trx_id代表事务id,记录了这一系列事务操作是基于哪个事务;roll_pointer代表回滚指针,就是当要发生rollback回滚操作时,就通过roll_pointer进行回滚,这个链表称为版本链

buffer pool 中有 undo 页,不仅对数据页修改操作会记录到redo log buffer,对 undo 页修改操作也会记录到 redo log buffer,这样就通过redo log保证了事务持久性

当事务Commit之后,undo 页本身就没有利用价值了,此时通过后台线程中的Master ThreadPurge Thread进行 undo 页 的回收工作。

2、redo log

2.1、redo log 是什么

redo log又称重做日志,保证了事务的持久性,当我们对缓冲池中的数据页进行了修改(修改后变成脏页),但是脏页数据是存在于Buffer Pool缓冲池,缓冲池占用的就是操作系统内存空间,所以数据页本质也是存在内存中的,内存有个特点就是断电即失

所以当脏页数据还没有刷入磁盘,此时数据库服务发生宕机,那么脏页数据就会因为宕机而丢失,如何恢复这些没刷盘得脏页数据呢?这时候redo log就派上了用场,具体流程可参考下图:

redo log通过WAL(Write-Ahead Logging)来进行故障恢复(crash-safe),所谓WAL大白话先写日志,后写磁盘。当我们对缓存页进行了修改后(变成脏页),我们就将本次操作写入到redo log buffer中,当事务Commit时就先将redo log buffer中记录通过后台线程刷到磁盘中(事务提交是redo log默认刷盘时机),此时脏页还没有刷入磁盘,但只要redo log成功刷盘就可以认为本次的修改操作完成了,因为就算发生了故障导致脏页数据丢失也可以通过磁盘redo log恢复,需要注意redo log记录的是物理操作,例如:对AAA数据页BBB偏移量位置做了CCC更新,这跟undo log区别还是挺大的:

事务提交崩溃,通过 undo log 回滚事务 事务提交崩溃,通过 redo log 恢复事务

2.2、redo log 刷盘

上面已经介绍过了,redo log记录先写入到redo log buffer中,然后通过后台线程进行刷盘,也就是说最后还是从 redo log buffer 同步到硬盘中,那么redo log buffer何时进行刷盘操作呢?主要是以下几种情况,默认情况下,redo log在事务提交时就会进行一次redo log刷盘:

  • Master Thread每秒刷盘一次
  • redo log buffer 剩余空间 < 1/2
  • 通过innodb_flush_log_at_trx_commit参数控制
    • 0:有事务提交的情况下,每秒刷盘一次
    • 1:每次提交事务,刷盘一次(默认,性能差)
    • 2:每次提交事务,把日志记录放到OS内核缓冲区,刷盘时机交给OS(性能好)

这有个疑问点,为啥事务提交时不直接将脏页刷盘呢,何苦还要将 redo log buffer 中记录进行刷盘,然后脏页再刷盘呢,这不多了一步流程吗?之所以多了 redo log 刷盘这步操作,主要原因:

redo log 刷盘操作采用磁盘顺序写方式进行的 缓存页刷盘操作采用随机写方式 顺序写随机写性能更优秀

2.3、redo log 硬盘文件

上面提到了redo log的刷盘操作采用顺序写方式进行,接下来咱们看下 redo log 文件在硬盘中是怎样的方式存在的。

redo log文件好像一个甜甜圈🍩,它是以ib_logfile文件组形式存在(也就是多个ib_logfile构成一个重做日志组),每个重做日志组中最少2个ib_logfile,每个ib_logfile占用内存1GB,当ib_logfile-1写满之后就开始写入ib_logfile2,以此类推:图片来自于《MySQL实战45讲》

上图中的重做日志组包含了4个重做日志文件ib_logfile,按照圆环顺时针顺序写入文件,这种写入磁盘的方式也叫循环写

write pos:当前redo log文件写到了哪个位置 check point:目前redo log文件哪些记录可以被覆盖

两个指针中间绿色部分表示还剩余多少可写入空间,也就是redo log 文件的可用空间了,当数据页进行刷盘操作(CheckPoint)时,check point指针也会顺时针进行覆盖(黄色变成绿色);当write pos追上了check point就说明 redo log 文件存满了,那就要强制CheckPoint了,将缓冲池中的脏页刷盘,然后再移动check point指针,这样就可以继续向重做日志组中写入数据了。

说到这里大家就该明白,当数据页刷盘后,check point也会顺时针移动,将无用的redo log记录覆盖掉,所以redo log大小需要好好斟酌,如果设置太大,那么故障恢复crash-safe时间会很久;如果设置太小,就会频繁发生刷盘导致性能抖动!

3、bin log

3.1、bin log 是什么

bin log常称作二进制日志,该日志主要有两个功能:

  • 备份恢复
  • 主从复制

每次事务进行提交时,都会将增、删、改操作以追加的方式记录到bin log文件中。这样也就理解了为什么该日志具备备份恢复和主从复制的功能,关于备份恢复比较好理解,根据bin log日志中记录的二进制操作记录恢复即可;主从复制常用于MySQL主从集群搭建,MySQL从节点通过监听主节点bin log日志进行同步即可。

3.2、bin log 和 redo log 区别

bin logredo log二者之间还是有很大的区别:

  1. bin log 属于MySQL体系架构的Server层,而 redo log是InnoDB存储引擎特有的。
  2. bin log 写入方式是追加写,而 redo log 写入方式是循环写
  3. bin log 中记录的是二进制日志(3种类型),而 redo log 中记录的是物理日志信息。
  4. bin log 用于备份恢复、主从复制,而 redo log 用于故障恢复。

关于bin log的二进制日志格式,有以下三种类型:

  1. STATEMENT:增删改SQL语句,存储空间要求小
  2. ROW:记录表行的更改情况,存储空间要求大
  3. MIXED:混合场景,默认情况下STATEMENT,少数情况下ROW

redo log 不具备数据备份功能的原因是由于 redo log 文件组采用的是循环写方式,所以当脏页刷盘时redo log文件组内容会进行覆盖;之所以bin log不具备crash-safe原因是我们很难判断到底从那个位置进行恢复,而redo logwrite poscheck point指针指明了哪些数据需要恢复。

3.3、bin log 刷盘

bin log属于MySQL体系架构的Server层,事务操作进行过程中,会把日志信息先记录到bin log cache中,等到事务提交后会将bin log cache中记录刷盘到bin log 文件中。

这里需要注意,无论一个事务中包含了多少个增删改操作,都要一次性写入,不可拆分。当一个线程执行事务操作时,MySQL就会为该线程分配bin log cache,而且一个线程某一时刻最多只能执行一个事务。

bin log 刷刷盘时机通过参数sync_binlog控制:

0:每次提交事务写到内核缓冲区,不刷盘(由OS决定何时刷盘) 1:每次提交事务写到内核缓冲区,马上刷盘 N:每次提交事务写到内核缓冲区,累积 N 个事务后才刷盘(N > 1)

3.4、两阶段提交

当事务进行Commit操作时,redo logbin log都会被刷盘持久化保存,但是可能会出现以下两种情况:

bin log刷盘后,redo log还未来得及刷盘,数据库宕机,数据不一致。 redo log刷盘后,bin log还未来得及刷盘,数据库宕机,数据不一致。

说到这里大概知道两阶段提交其实就是为了防止这两个日志不一致,它将事务Commit操作分为两个阶段:Prepare、Commit

  • Prepare:XID(内部 XA 事务的 ID) 写入到 redo log,同时将 redo log 对应的事务状态设置为 prepare,然后将 redo log 持久化到磁盘(默认redo log刷盘策略);
  • Commit:XID 写入到 bin log,马上将 bin log 刷盘(sync_binlog = 1),接着调用引擎的提交事务接口,将 redo log 状态设置为 commit,只要 bin log 写磁盘成功,就算 redo log 的状态还是 prepare 也没有关系,一样会被认为事务已经执行成功。

图片来自于小林coding:

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