发布于 由admin

MySQL存储引擎内部之：`InnoDB`的`Doublewrite Buffer`：其在`数据页`写入中的`双写`保护机制。

InnoDB 的 Doublewrite Buffer：数据页写入的双重保险

大家好，今天我们来深入探讨 InnoDB 存储引擎中一个至关重要的组件：Doublewrite Buffer。它在 InnoDB 的数据页写入过程中扮演着保护数据的关键角色，即使在极端情况下，也能最大程度地保证数据的完整性和一致性。

为什么需要 Doublewrite？

要理解 Doublewrite 的重要性，首先要了解磁盘写入操作的特性。磁盘的物理写入并非原子性的，尤其是在操作系统或硬件层面，一个 16KB 的数据页写入可能被拆分成多个较小的操作。如果在写入过程中发生意外（例如突然断电），可能只有部分数据页被成功写入，导致数据页损坏，这种情况被称为“partial write”。

考虑以下场景：

  1. InnoDB 需要将一个 16KB 的数据页写入磁盘。
  2. 磁盘控制器将这个写入操作拆分成多个 512 字节的扇区写入。
  3. 在写入到第 5 个扇区时，系统突然断电。
  4. 重启后，这个数据页只有部分扇区被正确写入，剩余扇区仍然保留着旧数据，导致数据页内容不一致。

这种情况下，InnoDB 如果直接读取这个损坏的数据页，就会产生严重的数据错误。 Doublewrite 的目的就是为了解决这个问题。

Doublewrite 的工作原理

Doublewrite 实际上是在将数据页写入实际的表空间之前，先写入到一个特殊的区域，然后再写入到表空间。 这个特殊的区域就是 Doublewrite Buffer，位于系统表空间中。

其流程大致如下：

  1. Flush List 中的数据页准备写入磁盘：InnoDB 的 Buffer Pool 中被标记为脏页的数据页会被加入到 Flush List 中，等待刷盘。
  2. 数据页复制到 Doublewrite Buffer：在将数据页写入实际的表空间之前，InnoDB 首先将数据页从 Buffer Pool 复制到 Doublewrite Buffer。 Doublewrite Buffer 在物理上是连续的存储空间，通常由两个连续的 2MB 大小的区域组成。
  3. Doublewrite Buffer 顺序写入：InnoDB 以顺序写入的方式将数据页写入 Doublewrite Buffer。 顺序写入的性能比随机写入更高，可以减少写入时间。
  4. 数据页写入表空间：Doublewrite Buffer 写入完成后，InnoDB 再将数据页写入实际的表空间。 这一次写入是随机写入，因为数据页在表空间中的位置是不连续的。
  5. 写入完成：数据页成功写入表空间后，此次写操作才算完成。

如果写入过程中发生意外，重启后 InnoDB 会进行以下检查：

  1. 检查数据页校验和：InnoDB 会检查表空间中的数据页的校验和。如果校验和不正确，说明数据页可能损坏。
  2. 检查 Doublewrite Buffer：如果数据页损坏，InnoDB 会检查 Doublewrite Buffer 中是否存在该数据页的副本。
  3. 数据页恢复：如果 Doublewrite Buffer 中存在该数据页的副本，InnoDB 会将 Doublewrite Buffer 中的数据页复制到表空间中，从而恢复数据页。

通过这种双重写入机制，即使在写入过程中发生意外，InnoDB 也可以通过 Doublewrite Buffer 中的副本恢复数据页，从而保证数据的完整性。

Doublewrite 的配置

Doublewrite 的行为可以通过 innodb_doublewrite 参数进行配置。

  • innodb_doublewrite = ON (默认值): 启用 Doublewrite 功能。
  • innodb_doublewrite = OFF: 禁用 Doublewrite 功能。

通常情况下，不建议禁用 Doublewrite 功能，因为这会大大降低数据的安全性。只有在非常特殊的情况下，例如使用具有电池备份的硬件 RAID 控制器，并且确认 RAID 控制器能够保证原子写入的情况下，才可以考虑禁用 Doublewrite 功能。

可以使用以下 SQL 语句查看和修改 innodb_doublewrite 参数：

SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_doublewrite';

SET GLOBAL innodb_doublewrite = ON; -- 或 OFF

Doublewrite 的性能影响

Doublewrite 会带来一定的性能开销，因为每个数据页需要写入两次。 然而， InnoDB 采用顺序写入 Doublewrite Buffer 的方式，可以减少写入时间。 此外，现代存储设备的性能也在不断提升，Doublewrite 的性能影响已经越来越小。

可以通过 innodb_doublewrite_files 和 innodb_doublewrite_pages 状态变量来监控 Doublewrite 的使用情况：

SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_dblwr%';
变量名 描述
Innodb_dblwr_files Doublewrite 使用的文件数量
Innodb_dblwr_pages_written Doublewrite 写入的数据页数量

Doublewrite 的源码分析 (简化版)

为了更深入地理解 Doublewrite 的工作原理，我们来看一个简化的 C++ 代码示例，模拟 Doublewrite 的核心逻辑。

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <vector>
#include <cstring>

const size_t PAGE_SIZE = 16384; // 16KB
const size_t DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE = 2 * 1024 * 1024; // 2MB

// 模拟磁盘写入错误
bool simulate_disk_error = false;

// 模拟磁盘
class Disk {
public:
    Disk(const std::string& filename) : filename_(filename) {
        // 初始化磁盘文件
        std::ofstream file(filename_, std::ios::binary | std::ios::trunc);
        file.seekp(DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE + 10 * PAGE_SIZE); // 模拟一些空间
        file.write("", 1);
        file.close();
    }

    bool write_page(size_t offset, const char* data) {
        std::ofstream file(filename_, std::ios::binary | std::ios::seekp);
        if (!file.is_open()) {
            std::cerr << "Error opening disk file for writing." << std::endl;
            return false;
        }

        file.seekp(offset);

        // 模拟磁盘错误
        if (simulate_disk_error && offset > DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE && offset < DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE + PAGE_SIZE) {
            std::cout << "Simulating disk error during write to table space!" << std::endl;
            file.write(data, PAGE_SIZE / 2); // 只写入一半的数据，模拟部分写入
            file.close();
            return false;
        }

        file.write(data, PAGE_SIZE);
        file.close();
        return true;
    }

    bool read_page(size_t offset, char* data) {
        std::ifstream file(filename_, std::ios::binary | std::ios::seekg);
        if (!file.is_open()) {
            std::cerr << "Error opening disk file for reading." << std::endl;
            return false;
        }

        file.seekg(offset);
        file.read(data, PAGE_SIZE);
        file.close();
        return true;
    }

private:
    std::string filename_;
};

// 模拟 Doublewrite Buffer
class DoublewriteBuffer {
public:
    DoublewriteBuffer(Disk& disk) : disk_(disk) {}

    bool write_page(const char* data) {
        // 写入 Doublewrite Buffer
        if (!disk_.write_page(0, data)) {
            std::cerr << "Error writing to Doublewrite Buffer." << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool recover_page(char* data) {
        // 从 Doublewrite Buffer 恢复数据
        if (!disk_.read_page(0, data)) {
            std::cerr << "Error reading from Doublewrite Buffer." << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

private:
    Disk& disk_;
};

// 模拟 InnoDB
class InnoDB {
public:
    InnoDB(const std::string& disk_filename) : disk_(disk_filename), doublewrite_buffer_(disk_) {}

    bool write_data_page(size_t page_id, const char* data) {
        size_t offset = DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE + page_id * PAGE_SIZE;

        // 1. 写入 Doublewrite Buffer
        if (!doublewrite_buffer_.write_page(data)) {
            std::cerr << "Error writing to doublewrite buffer." << std::endl;
            return false;
        }

        // 2. 写入表空间
        if (!disk_.write_page(offset, data)) {
            std::cerr << "Error writing to table space." << std::endl;
            return false;
        }

        return true;
    }

    bool read_data_page(size_t page_id, char* data) {
        size_t offset = DOUBLEWRITE_BUFFER_SIZE + page_id * PAGE_SIZE;
        if (!disk_.read_page(offset, data)) {
            std::cerr << "Error reading from table space." << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool recover_data_page(size_t page_id, char* data) {
        // 从 Doublewrite Buffer 恢复数据页
        if (!doublewrite_buffer_.recover_page(data)) {
            std::cerr << "Error recovering from doublewrite buffer." << std::endl;
            return false;
        }
        return true;
    }

    bool check_and_recover_page(size_t page_id, char* data) {
        if(!read_data_page(page_id, data)){
          return false;
        }
        // 模拟校验和检查
        bool checksum_valid = true; // 假设checksum验证通过
        for(int i = 0; i < PAGE_SIZE/2; ++i){
          if(data[i] != 'A'){
            checksum_valid = false;
            break;
          }
        }

        if (!checksum_valid) {
            std::cout << "Data page corrupted! Recovering from doublewrite buffer..." << std::endl;
            if (!recover_data_page(page_id, data)) {
                std::cerr << "Failed to recover data page!" << std::endl;
                return false;
            }
        } else {
            std::cout << "Data page is valid." << std::endl;
        }
        return true;
    }

private:
    Disk disk_;
    DoublewriteBuffer doublewrite_buffer_;
};

int main() {
    InnoDB innodb("disk.data");

    // 准备数据
    std::vector<char> data(PAGE_SIZE, 'A');
    size_t page_id = 0;

    // 写入数据页
    if (innodb.write_data_page(page_id, data.data())) {
        std::cout << "Data page written successfully." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to write data page." << std::endl;
        return 1;
    }

    // 模拟磁盘错误
    simulate_disk_error = true;

    // 再次写入数据页，这次模拟写入错误
    if (innodb.write_data_page(page_id, data.data())) {
        std::cout << "Data page written successfully (simulated error)." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to write data page (simulated error)." << std::endl;
    }

    // 模拟重启，并尝试读取数据页，进行恢复
    simulate_disk_error = false;
    std::vector<char> recovered_data(PAGE_SIZE);

    if(innodb.check_and_recover_page(page_id, recovered_data.data())){
       std::cout << "Data page recovered successfully." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Failed to recover data page." << std::endl;
        return 1;
    }

    // 验证数据是否恢复
    bool data_valid = true;
    for (size_t i = 0; i < PAGE_SIZE; ++i) {
        if (recovered_data[i] != 'A') {
            data_valid = false;
            break;
        }
    }

    if (data_valid) {
        std::cout << "Data validation successful." << std::endl;
    } else {
        std::cerr << "Data validation failed." << std::endl;
        return 1;
    }

    return 0;
}

这个示例代码展示了 Doublewrite 的基本流程：

  1. Disk 类模拟磁盘的读写操作，并且可以模拟磁盘写入错误。
  2. DoublewriteBuffer 类模拟 Doublewrite Buffer，负责将数据页写入和读取到磁盘上的 Doublewrite Buffer 区域。
  3. InnoDB 类模拟 InnoDB 存储引擎，负责将数据页写入 Doublewrite Buffer 和表空间，并在需要时从 Doublewrite Buffer 恢复数据页。

请注意，这只是一个简化的示例，真实 InnoDB 的实现要复杂得多，包括错误处理、并发控制、状态管理等等。

Doublewrite 和其他保护机制

Doublewrite 并非 InnoDB 唯一的保护机制。 InnoDB 还采用了其他技术来保证数据的完整性和一致性，例如：

  • Checksum：每个数据页都包含一个校验和，用于检测数据页是否损坏。
  • Redo Log：Redo Log 用于记录事务对数据页的修改，即使在写入过程中发生意外，也可以通过 Redo Log 重做事务，恢复数据。
  • Undo Log：Undo Log 用于记录事务执行前的状态，用于在事务回滚时撤销事务的修改。

这些保护机制共同作用，确保 InnoDB 在各种情况下都能保证数据的安全性。

总结：Doublewrite 是数据安全的基石

Doublewrite Buffer 是 InnoDB 存储引擎中一个重要的组成部分，它通过双重写入机制，有效地防止了数据页的部分写入问题，提高了数据的可靠性和完整性。 虽然 Doublewrite 会带来一定的性能开销，但在大多数情况下，这种开销是可以接受的，并且相对于数据安全来说，是值得的。 在理解 InnoDB 的内部机制时，Doublewrite 是一个不可或缺的概念。它与其他保护机制一起，构建了 InnoDB 强大的数据安全体系，确保了 MySQL 数据库的可靠运行。

发表回复

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注