MySQL高阶讲座之:`InnoDB`的双写缓冲区`Double Write`源码解析:如何实现崩溃恢复的原子性。

咳咳,麦克风试音,一二三,一二三… 各位观众老爷们,欢迎来到MySQL高阶讲座现场! 今天咱们聊点硬核的,扒一扒InnoDB的“双写缓冲区Double Write”,看看它如何保证崩溃恢复的原子性,让你的数据在断电、宕机的情况下也能安然无恙。

开场白:数据,你的小宝贝,不能说没就没!

在数据库的世界里,数据就是你的命根子。想象一下,辛辛苦苦攒了一堆数据,结果服务器突然崩了,数据丢了一半,那感觉,比失恋还难受!所以,保证数据的完整性,那可是重中之重。

InnoDB作为MySQL默认的存储引擎,在这方面下了不少功夫。其中,Double Write就是它保护数据的一大利器。 简单来说,Double Write就像给你的数据加了一层“保险锁”,即使在写入过程中发生崩溃,也能通过它来恢复数据,保证原子性。

正文:Double Write工作原理大揭秘

那么,Double Write到底是怎么工作的呢? 咱们先来捋一捋InnoDB写入数据的流程:

  1. 脏页产生: 当你修改了数据页(Page)后,这个页就变成了“脏页”,需要被刷回磁盘。
  2. 写入Double Write缓冲区: 在将脏页刷回数据文件之前,InnoDB会先将这个页的内容拷贝一份到Double Write缓冲区。
  3. 写入数据文件: 然后,InnoDB才会将脏页写入到实际的数据文件中。
  4. 写入完成: 写入完成后,一切OK,数据安全了。

听起来好像也没什么特别的? 别急,重点就在于第二步。 咱们来画个图(虽然我不能真的画,但你可以脑补一下):

+---------------------+      +---------------------+      +---------------------+
|     脏页 (Dirty Page)     | --> |  Double Write Buffer  | --> |    数据文件 (Data File)     |
+---------------------+      +---------------------+      +---------------------+
|  内存中的待刷盘数据页  |      |  磁盘上的临时备份区域  |      |   磁盘上的实际存储区域   |
+---------------------+      +---------------------+      +---------------------+

Double Write缓冲区是个啥?

Double Write缓冲区位于系统的共享表空间(System Tablespace)中,它由两个连续的区域组成,每个区域的大小通常是2MB。 也就是说,Double Write缓冲区的大小是4MB。

为什么需要Double Write

你可能会问,直接写数据文件不行吗? 为什么要多此一举,先写到Double Write缓冲区?

这是因为,在实际的写入过程中,可能会发生“部分写失效”(Partial Write)的情况。

什么是“部分写失效”?

简单来说,就是操作系统在写入数据页的时候,可能只写了一部分就崩溃了。 比如,一个数据页的大小是16KB,但是操作系统可能只写了8KB就挂了。 这样,数据页就损坏了,无法恢复。

Double Write如何解决“部分写失效”?

  • 完整性保证: Double Write缓冲区保证了即使发生“部分写失效”,也有一个完整的备份。
  • 恢复流程: 在系统恢复时,InnoDB会检查数据页的完整性。 如果发现数据页损坏,就会从Double Write缓冲区中恢复数据。

Double Write的恢复流程

  1. 启动恢复: 数据库启动时,会进行崩溃恢复。
  2. 检查数据页: InnoDB会检查每个数据页的校验和(Checksum)。 如果校验和不匹配,说明数据页可能损坏。
  3. Double Write恢复: 如果数据页损坏,InnoDB会查找对应的Double Write缓冲区中的备份。
  4. 应用备份: 如果找到了备份,InnoDB会将备份的数据页拷贝到数据文件中,覆盖损坏的数据页。
  5. 恢复完成: 这样,就完成了数据页的恢复,保证了数据的完整性。

Double Write的源码解析

光说不练假把式,咱们来看点InnoDB的源码,深入了解Double Write的实现细节。

由于篇幅限制,这里不可能把所有代码都贴出来,咱们只挑一些关键的部分来分析。

首先,我们来看看Double Write缓冲区的定义:

// 在ibdata1文件中预留的doublewrite buffer空间
struct doublewrite {
  ulint   page_no1;     // doublewrite page number 1
  ulint   page_no2;     // doublewrite page number 2
  byte    buf[16384];   // 一个page的数据
}

这段代码定义了doublewrite结构体,其中包括了两个页号(page_no1page_no2)和一个缓冲区(buf)。 这个缓冲区用于存储数据页的内容。

接下来,我们来看看InnoDB如何将脏页写入Double Write缓冲区:

// 将一个page写入到doublewrite buffer
dberr_t doublewrite_write_page(
    buf_page_t* page,   /*!< in: page to write */
    ulint       space_id, /*!< in: space id */
    ulint       page_no,  /*!< in: page number */
    ulint       offset)   /*!< in: offset in the doublewrite buffer */
{
  // 1. 获取doublewrite buffer的地址
  byte* dw_buf = doublewrite_get_buf(offset);

  // 2. 将page的数据拷贝到doublewrite buffer
  memcpy(dw_buf, page->data, UNIV_PAGE_SIZE);

  // 3. 将doublewrite buffer中的数据写入磁盘
  // ... (省略了实际的写入操作)

  return(DB_SUCCESS);
}

这段代码展示了doublewrite_write_page函数,它负责将一个数据页写入到Double Write缓冲区。 它的主要步骤包括:

  1. 获取Double Write缓冲区地址: 通过doublewrite_get_buf函数获取Double Write缓冲区中指定偏移量的地址。
  2. 拷贝数据: 使用memcpy函数将数据页的内容拷贝到Double Write缓冲区。
  3. 写入磁盘:Double Write缓冲区中的数据写入磁盘。

最后,我们来看看InnoDB如何从Double Write缓冲区恢复数据页:

// 从doublewrite buffer中读取一个page
dberr_t doublewrite_read_page(
    byte*       buf,      /*!< out: buffer to read into */
    ulint       space_id, /*!< in: space id */
    ulint       page_no,  /*!< in: page number */
    ulint       offset)   /*!< in: offset in the doublewrite buffer */
{
  // 1. 获取doublewrite buffer的地址
  byte* dw_buf = doublewrite_get_buf(offset);

  // 2. 从doublewrite buffer中读取数据
  memcpy(buf, dw_buf, UNIV_PAGE_SIZE);

  return(DB_SUCCESS);
}

这段代码展示了doublewrite_read_page函数,它负责从Double Write缓冲区读取数据页。 它的主要步骤包括:

  1. 获取Double Write缓冲区地址: 通过doublewrite_get_buf函数获取Double Write缓冲区中指定偏移量的地址。
  2. 读取数据: 使用memcpy函数从Double Write缓冲区读取数据,并将其拷贝到指定的缓冲区。

Double Write的优缺点

任何技术都有其优缺点,Double Write也不例外。

优点:

  • 数据完整性: 保证了即使发生“部分写失效”,也能恢复数据,保证数据的完整性。
  • 简单有效: 实现简单,效果显著,是一种非常有效的崩溃恢复机制。

缺点:

  • 性能损耗: 每次写入都需要先写到Double Write缓冲区,然后再写到数据文件,这会带来一定的性能损耗。
  • 额外的磁盘空间: 需要额外的磁盘空间来存储Double Write缓冲区。

Double Write的配置

Double Write可以通过innodb_doublewrite参数来控制是否启用。 默认情况下,Double Write是启用的。

SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_doublewrite';

如果你非常在意性能,并且对数据完整性要求不高,可以考虑禁用Double Write。 但是,强烈建议不要轻易禁用Double Write,除非你非常清楚自己在做什么。

实际案例分析

假设你的MySQL服务器正在运行一个电商网站,每天都有大量的订单数据写入数据库。 突然,服务器断电了!

如果没有Double Write,很可能有一部分订单数据会因为“部分写失效”而损坏,导致订单丢失,损失惨重。

但是,有了Double Write,即使发生断电,InnoDB也能从Double Write缓冲区中恢复损坏的数据页,保证订单数据的完整性,避免了不必要的损失。

Double Write和其他技术的配合

Double Write并不是孤立存在的,它通常和其他技术配合使用,共同保证数据的完整性。

  • Redo Log Redo Log记录了所有对数据的修改操作,用于在崩溃恢复时重做未完成的事务。 Double Write保证了数据页的物理完整性,而Redo Log保证了事务的逻辑完整性。
  • Checksum Checksum用于校验数据页的完整性。 InnoDB会在读取数据页时计算Checksum,并与数据页中存储的Checksum进行比较。 如果不匹配,说明数据页可能损坏。

结论:Double Write,数据的守护神

总而言之,Double WriteInnoDB中一项非常重要的技术,它通过将数据页先写入到Double Write缓冲区,然后再写入到数据文件,从而保证了即使发生“部分写失效”,也能恢复数据,保证数据的完整性。

虽然Double Write会带来一定的性能损耗,但是相对于数据的安全性来说,这点损耗是完全可以接受的。

所以,记住,Double Write就像你的数据的守护神,默默地保护着你的数据,让你在面对崩溃、宕机等突发情况时,也能安心无忧。

互动环节:你问我答

好了,今天的讲座就到这里。 接下来是互动环节,大家有什么问题可以提出来,我会尽力解答。 别客气,大胆提问吧! 毕竟,学习就是要不断提问,不断思考,才能真正掌握知识。

(等待观众提问…)

感谢大家!

感谢各位观众老爷的捧场! 希望今天的讲座对大家有所帮助。 我们下次再见!

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