MySQL日志之Undo log知識科普

什么是Undo Log？

如何理解Undo Log

Undo Log的功能

Undo Log的存儲結構

Undo Log的工作原理

Undo Log的類型

Undo Log的生命周期

Undo Log的配置參數

參考文章

文章導讀：

什么是Undo Log？

Undo:意為撤銷或取消，以撤銷操作為目的，返回某個狀態(tài)的操作。

Undo Log:數據庫事務開始之前，會將要修改的記錄放到Undo日志里，當事務回滾時或者數據庫崩潰時，可以利用UndoLog撤銷未提交事務對數據庫產生的影響。

Undo Log是事務原子性的保證。在事務中更新數據的前置操作其實是要先寫入一個Undo Log

如何理解Undo Log

事務需要保證原子性，也就是事務中的操作要么全部完成，要么什么也不做。但有時候事務執(zhí)行到一半會出現一些情況，比如：

情況一：事務執(zhí)行過程中可能遇到各種錯誤，比如服務器本身的錯誤，操作系統錯誤，甚至是突然斷電導致的錯誤。

情況二：DBA可以在事務執(zhí)行過程中手動輸入ROLLBACK語句結束當前事務的執(zhí)行。以上情況出現，我們需要把數據改回原先的樣子，這個過程稱之為回滾。

每當我們要對一條記錄做改動時(這里的改動可以指INSERT、DELETE、UPDATE)，都需要把回滾時所需的東西記下來。比如:

你插入一條記錄時，至少要把這條記錄的主鍵值記下來，之后回滾的時候只需要把這個主鍵值對應的記錄刪掉就好了。(對于每個INSERT, InnoDB存儲引擎會完成一個DELETE)

你刪除了一條記錄，至少要把這條記錄中的內容都記下來，這樣之后回滾時再把由這些內容組成的記錄插入到表中就好了。(對于每個DELETE,InnoDB存儲引擎會執(zhí)行一個INSERT)

你修改了一條記錄，至少要把修改這條記錄前的舊值都記錄下來，這樣之后回滾時再把這條記錄更新為舊值就好了。(對于每個UPDATE，InnoDB存儲引擎會執(zhí)行一個相反的UPDATE，將修改前的行放回去)

MySQL把這些為了回滾而記錄的這些內容稱之為撤銷日志或者回滾日志(即Undo Log)。注意，由于查詢操作(SELECT）并不會修改任何用戶記錄，所以在杳詢操作行時，并不需要記錄相應的Undo日志

此外，Undo Log會產生Redo Log，也就是Undo Log的產生會伴隨著Redo Log的產生，這是因為Undo Log也需要持久性的保護。

Undo Log的功能

提供數據回滾-原子性
當事務回滾時或者數據庫崩潰時，可以利用Undo Log來進行數據回滾。

多版本并發(fā)控制(MVCC)-隔離性
即在InnoDB存儲引擎中MVCC的實現是通過Undo Log來完成。當用戶讀取一行記錄時，若該記錄已經被其他事務占用，當前事務可以通過Undo Log讀取之前的行版本信息，以此實現非鎖定讀取。

Undo Log的存儲結構

回滾段與Undo頁

InnoDB對Undo Log的管理采用段的方式，也就是回滾段（rollback segment）。每個回滾段記錄了1024 個Undo Log segment，而在每個Undo Log segment段中進行Undo頁的申請。

在InnoDB1.1版本之前（不包括1.1版本），只有一個rollback segment，因此支持同時在線的事務限制為1024。雖然對絕大多數的應用來說都已經夠用。

從1.1版本開始InnoDB支持最大128個rollback segment，故其支持同時在線的事務限制提高到了128*1024。

mysql>showvariableslike'innodb_undo_logs';
+------------------+-------+
|Variable_name|Value|
+------------------+-------+
|innodb_undo_logs|128|
+------------------+-------+

雖然InnoDB1.1版本支持了128個rollback segment，但是這些rollback segment都存儲于共享表空間ibdata中。從lnnoDB1.2版本開始，可通過參數對rollback segment做進一步的設置。這些參數包括:

innodb_undo_directory:設置rollback segment文件所在的路徑。這意味著rollback segment可以存放在共享表空間以外的位置，即可以設置為獨立表空間。該參數的默認值為“./”，表示當前InnoDB存儲引擎的目錄。

innodb_undo_logs:設置rollback segment的個數，默認值為128。在InnoDB1.2版本中，該參數用來替換之前版本的參數innodb_rollback_segments。

innodb_undo_tablespaces:設置構成rollback segment文件的數量，這樣rollback segment可以較為平均地分布在多個文件中。設置該參數后，會在路徑innodb_undo_directory看到undo為前綴的文件，該文件就代表rollback segment文件。

回滾段與事務

1.每個事務只會使用一個回滾段（rollback segment），一個回滾段在同一時刻可能會服務于多個事務。

2.當一個事務開始的時候，會制定一個回滾段，在事務進行的過程中，當數據被修改時，原始的數據會被復制到回滾段。

3.在回滾段中，事務會不斷填充盤區(qū)，直到事務結束或所有的空間被用完。如果當前的盤區(qū)不夠用，事務會在段中請求擴展下一個盤區(qū)，如果所有已分配的盤區(qū)都被用完，事務會覆蓋最初的盤區(qū)或者在回滾段允許的情況下擴展新的盤區(qū)來使用。

4.回滾段存在于Undo表空間中，在數據庫中可以存在多個Undo表空間，但同一時刻只能使用一個Undo表空間。

5.當事務提交時，InnoDB存儲引擎會做以下兩件事情：
1.將Undo Log放入列表中，以供之后的purge(清洗、清除)操作
2.判斷Undo Log所在的頁是否可以重用(低于3/4可以重用)，若可以分配給下個事務使用

回滾段中的數據分類

未提交的回滾數據(uncommitted undo information)：該數據所關聯的事務并未提交，用于實現讀一致性，所以該數據不能被其他事務的數據覆蓋。

已經提交但未過期的回滾數據(committed undo information)：該數據關聯的事務已經提交，但是仍受到undo retention參數的保持時間的影響。

事務已經提交并過期的數據(expired undo information)：事務已經提交，而且數據保存時間已經超過undo retention參數指定的時間，屬于已經過期的數據。當回滾段滿了之后，會優(yōu)先覆蓋"事務已經提交并過期的數據"。

Undo頁的重用

當我們開啟一個事務需要寫Undo log的時候，就得先去Undo Log segment中去找到一個空閑的位置，當有空位的時候，就去申請Undo頁，在這個申請到的Undo頁中進行Undo Log的寫入。我們知道MySQL默認一頁的大小是16k。

為每一個事務分配一個頁，是非常浪費的(除非你的事務非常長)，假設你的應用的TPS(每秒處理的事務數目)為1000，那么1s就需要1000個頁，大概需要16M的存儲，1分鐘大概需要1G的存儲。如果照這樣下去除非MySQL清理的非常勤快，否則隨著時間的推移，磁盤空間會增長的非?？?，而且很多空間都是浪費的。

于是Undo頁就被設計的可以重用了，當事務提交時，并不會立刻刪除Undo頁。因為重用，所以這個Undo頁可能混雜著其他事務的Undo Log。Undo Log在commit后，會被放到一個鏈表中，然后判斷Undo頁的使用空間是否小于3/4，如果小于3/4的話，則表示當前的Undo頁可以被重用，那么它就不會被回收，其他事務的Undo Log可以記錄在當前Undo頁的后面。由于Undo Log是離散的，所以清理對應的磁盤空間時，效率不高。

Undo Log日志的存儲機制

如上圖，可以看到，Undo Log日志里面不僅存放著數據更新前的記錄，還記錄著RowID、事務ID、回滾指針。其中事務ID每次遞增，回滾指針第一次如果是INSERT語句的話，回滾指針為NULL，第二次UPDATE之后的Undo Log的回滾指針就會指向剛剛那一條Undo Log日志，以此類推，就會形成一條Undo Log的回滾鏈，方便找到該條記錄的歷史版本。

Undo Log的工作原理

在更新數據之前，MySQL會提前生成Undo Log日志，當事務提交的時候，并不會立即刪除Undo Log，因為后面可能需要進行回滾操作，要執(zhí)行回滾（ROLLBACK）操作時，從緩存中讀取數據。Undo Log日志的刪除是通過通過后臺purge線程進行回收處理的。

1、事務A執(zhí)行UPDATE操作，此時事務還沒提交，會將數據進行備份到對應的Undo Buffer，然后由Undo Buffer持久化到磁盤中的Undo Log文件中，此時Undo Log保存了未提交之前的操作日志，接著將操作的數據，也就是test表的數據持久保存到InnoDB的數據文件IBD。

2、此時事務B進行查詢操作，直接從Undo Buffer緩存中進行讀取，這時事務A還沒提交事務，如果要回滾（ROLLBACK）事務，是不讀磁盤的，先直接從Undo Buffer緩存讀取。

Undo Log的類型

在InnoDB存儲引擎中，Undo Log分為：

insert Undo Log
insert Undo Log是指在insert操作中產生的Undo Log。因為insert操作的記錄，只對事務本身可見，對其他事務不可見(這是事務隔離性的要求)，故該Undo Log可以在事務提交后直接刪除。不需要進行purge操作。

update Undo Log
update Undo Log記錄的是對delete和update操作產生的Undo Log。該Undo Log可能需要提供MVCC機制，因此不能在事務提交時就進行刪除。提交時放入Undo Log鏈表，等待purge線程進行最后的刪除。

Undo Log的生命周期

簡要生成過程
以下是Undo+Redo事務的簡化過程:
假設有2個數值，分別為 A=1 和 B=2 ，然后將A修改為3，B修改為4

1.starttransaction;
2．記錄A=1到UndoLog;
3.updateA=3;
4．記錄A=3到RedoLog;
5．記錄B=2到UndoLog;
6.updateB=4;
7．記錄B=4到RedoLog;
8．將RedoLog刷新到磁盤;
9.commit

在1-8步驟的任意一步系統宕機，事務未提交，該事務就不會對磁盤上的數據做任何影響。

如果在8-9之間宕機。

Redo Log 進行恢復

Undo Log 發(fā)現有事務沒完成進行回滾。

若在9之后系統宕機，內存映射中變更的數據還來不及刷回磁盤，那么系統恢復之后，可以根據Redo Log把數據刷回磁盤。

流程圖：

Undo Log的配置參數

innodb_max_undo_log_size:Undo日志文件的最大值，默認1GB，初始化大小10M

innodb_undo_log_truncate:標識是否開啟自動收縮Undo Log表空間的操作

innodb_undo_tablespaces:設置獨立表空間的個數，默認為0，標識不開啟獨立表空間，Undo日志保存在ibdata1中

innodb_undo_directory:Undo日志存儲的目錄位置innodb_undo_logs: 回滾的個數 默認128

審核編輯：湯梓紅