作者：宋利兵

来源：MySQL代码研究(mysqlcode)

0、导读

本文介绍了InnoDB引擎如何利用Undo Log和Redo Log来保证事务的原子性、持久性原理，以及InnoDB引擎实现Undo Log和Redo Log的基本思路。

00 – Undo Log
Undo Log 是为了实现事务的原子性，在MySQL数据库InnoDB存储引擎中，采用Undo Log来实现多版本并发控制（简称 MVCC）。

- 事务的原子性(Atomicity)

事务中的所有操作，要么全部完成，要么不做任何操作，不能只做部分操作。如果在执行的过程中发生了错误，要回滚(Rollback)到事务开始前的状态，就像这个事务从来没有执行过。

- 原理

Undo Log的原理很简单，为了满足事务的原子性，在操作任何数据之前，首先将数据备份到一个地方（这个存储数据备份的地方称为Undo Log）。然后进行数据的修改。如果出现了错误或者用户执行了ROLLBACK语句，系统可以利用Undo Log中的备份将数据恢复到事务开始之前的状态。除了可以保证事务的原子性，Undo Log也可以用来辅助完成事务的持久化。

- 事务的持久性(Durability)

事务一旦完成，该事务对数据库所做的所有修改都会持久的保存到数据库中。不能因为 错误/重启/宕机 而丢失已经COMMIT（事务提交）的数据。为了保证持久性，数据库系统需要将修改后的数据完全的记录到持久的存储上。

- 用Undo Log实现原子性和持久化的事务的简化过程

 假设有A、B两个数据，值分别为1,2。
  A.事务开始.
  B.记录A=1到undo log的内存buffer.
  C.在内存中修改A=3.
  D.记录B=2到undo log的内存buffer.
  E.在内存中修改B=4.
  F.将undo log的buffer写到磁盘.
  G.将内存中修改后的数据写到磁盘.
  H.事务提交.
 

这里有一个前提条件：‘数据都是先读到内存中，然后修改内存中的数据，最后将数据写回磁盘’。

以上过程之所以能同时保证原子性和持久化，是因为以下特点：
  A. 更新数据前记录Undo log.
  B. 为了保证持久性，必须将数据在事务提交前写到磁盘。只要事务成功提交，数据必然已经持久化.
  C. Undo log必须先于数据持久化到磁盘。如果在G,H之间系统崩溃，undo log是完整的，可以用来回滚事务.
  D. 如果在A-F之间系统崩溃,因为数据没有持久化到磁盘。所以磁盘上的数据还是保持在事务开始前的状态.

缺陷：每个事务提交前将数据和Undo Log写入磁盘，这样会导致大量的磁盘IO，因此性能很低。如果能够将数据缓存一段时间，就能减少IO提高性能。但是这样就会丧失事务的持久性。因此引入了另外一种机制来实现持久化，即Redo Log.

01 – Redo Log

- 原理

和Undo Log相反，Redo Log记录的是新数据的备份。在事务提交时，只要将Redo Log持久化即可，不需要将数据持久化。当系统崩溃时，虽然数据没有持久化，但是Redo Log已经持久化。系统可以根据Redo Log的内容，将所有数据恢复到最新的状态。

- 这时，Undo + Redo事务的简化过程
  假设有A、B两个数据，值分别为1,2.
  A.事务开始.
  B.记录A=1到undo log的内存buffer.
  C.内存中修改A=3.
  D.记录A=3到redo log的内存buffer.
  E.记录B=2到undo log的内存buffer.
  F.内存中修改B=4.

  G.记录B=4到redo log的内存buffer.

  H.将undo log的内存buffer写入磁盘.

  I.将redo log的内存buffer写入磁盘.
  J.事务提交.

- Undo + Redo事务的特点
  A. 为了保证持久性，必须在事务提交时将Redo Log持久化.

  B. Undo Log要在Redo Log之前写入磁盘.

  B. 数据不需要在事务提交前写入磁盘，而是缓存在内存中.
  C. Redo Log 保证事务的持久性.
  D. Undo Log 保证事务的原子性.
  E. 有一个隐含的特点，数据必须要晚于redo log写入持久存储。这是因为Recovery要依赖redo log. 如果redo log丢失了，系统需要保持事务的数据也没有被更新.

- IO性能
  Undo + Redo的设计主要考虑的是提升IO性能。虽说通过缓存数据，减少了写数据的IO. 但是却引入了新的IO，即写Redo Log的IO。如果Redo Log的IO性能不好，就不能起到提高性能的目的。

为了保证Redo Log能够有比较好的IO性能，InnoDB 的 Redo Log的设计有以下几个特点：

  A. 尽量保持Redo Log存储在一段连续的空间上。以顺序追加的方式记录Redo Log,通过顺序IO来改善性能。因此在系统第一次启动时就会将日志文件的空间完全分配，从而保证Redo Log文件在存储上的空间有更好的连续性。

  B. 批量写入日志。日志并不是直接写入文件，而是先写入redo log buffer。当需要将日志刷新到磁盘时 (如事务提交，还有其他触发条件),才将许多日志一起批量写入磁盘，这样可以减少IO次数。
  C. 并发的事务共享Redo Log的存储空间，它们的Redo Log按语句的执行顺序，依次交替的记录在一起，以减少Redo Log的IO次数。例如，Redo Log中的记录内容可能是这样的：
     记录1: <trx1, insert …>
     记录2: <trx2, update …>
      记录3: <trx1, delete …>
     记录4: <trx3, update …>
     记录5: <trx2, insert …>
  D. 因为C的原因,当一个事务将Redo Log写入磁盘时，也会将其他未提交的事务的日志写入磁盘。
  E. Redo Log上只进行顺序追加的操作，当一个事务需要回滚时，它的Redo Log记录也不会从Redo Log中删除掉。InnoDB的做法时将回滚操作也记入Redo Log(具体做法看下一节).

02 – 恢复(Recovery)

- 恢复策略
  前面说到未提交的事务和回滚了的事务也会记录Redo Log，因此在进行恢复时，这些事务要进行特殊的的处理。

有2种不同的恢复策略：

  A策略. 进行恢复时，只重做已经提交了的事务.
  B策略. 进行恢复时，重做所有事务包括未提交的事务和回滚了的事务。然后通过Undo Log回滚那些未提交的事务.

- InnoDB存储引擎的恢复机制
  MySQL数据库InnoDB存储引擎使用了B策略，InnoDB存储引擎中的恢复机制有几个特点：

  A. 在重做Redo Log时，并不关心事务性。 恢复时，没有BEGIN，也没有COMMIT、ROLLBACK的行为。也不关心每个日志是哪个事务的。尽管事务ID等事务相关的内容会记入Redo Log，这些内容只是被当作要操作的数据的一部分。
  B. 使用B策略就必须要将Undo Log持久化，而且必须要在写Redo Log之前将对应的Undo Log写入磁盘。Undo和Redo Log的这种关联，使得持久化变得复杂起来。为了降低复杂度，InnoDB将Undo Log看作数据，因此记录Undo Log的操作也会记录到redo log中。这样undo log就可以像数据一样缓存起来，而不用在redo log之前写入磁盘了。
     包含Undo Log操作的Redo Log，看起来是这样的：
     记录1: <trx1, Undo log insert <undo_insert …>>
     记录2: <trx1, insert …>
      记录3: <trx2, Undo log insert <undo_update …>>
     记录4: <trx2, update …>
     记录5: <trx3, Undo log insert <undo_delete …>>
     记录6: <trx3, delete …>
  C. 到这里，还有一个问题没有弄清楚。既然Redo没有事务性，那岂不是会重新执行被回滚了的事务？确实是这样。同时InnoDB也会将事务回滚时的操作也记录到redo log中。回滚操作本质上也是对数据进行修改，因此回滚时对数据的操作也会记录到Redo Log中。
     一个回滚了的事务的Redo Log，看起来是这样的：

     记录1: <trx1, Undo log insert <undo_insert …>>
     记录2: <trx1, insert A…>
     记录3: <trx1, Undo log insert <undo_update …>>
     记录4: <trx1, update B…>
     记录5: <trx1, Undo log insert <undo_delete …>>
     记录6: <trx1, delete C…>
     记录7: <trx1, insert C>
     记录8: <trx1, update B to old value>
     记录9: <trx1, delete A>
     一个被回滚了的事务在恢复时的操作就是先把数据更新到新的状态，然后再把数据更新回旧的状态，因此不会破坏数据的一致性。

- Undo Log的使用

   在Redo Log执行完毕后, InnoDB就恢复到了宕机前的状态。那些在宕机前没有完成的事务，还是在没有完成状态。由于已经重起，这些事务需要自动回滚掉才行。因此在redo完成后，InnoDB会自动的根据Undo Log把这些事务给回滚了。这和用户执行ROLLBACK的操作是一样的。

- InnoDB存储引擎中相关的函数
  Redo: recv_recovery_from_checkpoint_start()
  Undo: recv_recovery_rollback_active()
  Undo Log的Redo Log: trx_undof_page_add_undo_rec_log()