MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Undo Log`：其在事务回滚和`MVCC`中的物理结构。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL InnoDB 存储引擎：Undo Log 的深度剖析

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的一个关键组成部分：Undo Log。Undo Log 在事务回滚和 MVCC (Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制) 中扮演着至关重要的角色。理解 Undo Log 的物理结构和工作原理，对于我们更好地使用和优化 MySQL 数据库至关重要。

Undo Log 的作用：事务回滚与 MVCC

Undo Log，顾名思义，用于记录事务执行过程中对数据修改前的状态。它主要有两个作用：

事务回滚 (Rollback): 当事务执行失败或被显式回滚时，Undo Log 中记录的信息可以用来撤销事务已经做出的修改，将数据恢复到事务开始前的状态，保证 ACID 特性中的原子性 (Atomicity)。
MVCC (Multi-Version Concurrency Control): InnoDB 实现了 MVCC，允许在多个事务并发执行时，读取到不同版本的数据。Undo Log 中保存的历史版本数据，是 MVCC 实现的基础。当一个事务需要读取某个数据行的历史版本时，可以通过 Undo Log 找到该行对应的历史版本。

Undo Log 的物理结构

Undo Log 实际上是一系列的 Undo Log Segment 的集合。这些 Segment 存储在特殊的 Undo Tablespace 中。InnoDB 默认会创建多个 Undo Tablespace 文件，例如 undo001，undo002 等。我们可以通过参数 innodb_undo_tablespaces 来控制 Undo Tablespace 的数量。

每个 Undo Log Segment 由多个 Undo Log Block 组成。Undo Log Block 的大小通常与 InnoDB 的 Page Size (默认为 16KB) 相同。

Undo Log Block 内部包含多个 Undo Record。每个 Undo Record 对应着一个数据行的修改操作。Undo Record 中包含了恢复数据所需的关键信息，例如：

表 ID (Table ID): 标识被修改的表。
行 ID (Row ID): 标识被修改的行。
事务 ID (Transaction ID): 标识执行修改操作的事务。
修改类型 (Update Type): 例如 INSERT, UPDATE, DELETE 等。
被修改列的值 (Old Values): 修改前的列值。
指向前一个 Undo Log Record 的指针 (Previous Undo Log Pointer): 用于将同一个事务的 Undo Log Record 串联起来。

更详细的结构如下表所示：

字段	数据类型	描述
Undo Log Header		Undo Log 的头部信息，包含类型、状态等。
Transaction ID	BIGINT	事务 ID，唯一标识一个事务。
Table ID	BIGINT	表 ID，标识被修改的表。
Row ID/Clustered Index		行 ID，标识被修改的行。如果是聚簇索引，则保存聚簇索引键值。
Update Type	ENUM	修改类型，例如 INSERT, UPDATE, DELETE, TRUNCATE。
Modified Columns		被修改的列的信息，包括列 ID 和修改前的值。
Previous Undo Log Pointer	POINTER	指向前一个 Undo Log Record 的指针，用于将同一个事务的 Undo Log Record 串联起来，形成 Undo Log Chain。
Rollback Segment ID	INT	回滚段 ID，用于标识 Undo Log 所属的回滚段。
Other Metadata		其他元数据，例如时间戳、锁信息等。

Undo Log 的类型

InnoDB 中存在两种类型的 Undo Log：

Insert Undo Log: 用于回滚 INSERT 操作。当插入一条新记录时，Insert Undo Log 记录了该记录的信息。回滚时，直接删除该记录即可。
Update Undo Log: 用于回滚 UPDATE 和 DELETE 操作。Update Undo Log 记录了被修改或删除的记录的旧值。回滚时，利用这些旧值恢复数据。

Undo Log 的工作流程

事务回滚

当事务需要回滚时，InnoDB 会按照 Undo Log 中记录的顺序，反向执行 Undo Log Record 中记录的操作。

对于 INSERT 操作: 找到对应的 Insert Undo Log Record，直接删除新插入的记录。
对于 UPDATE 操作: 找到对应的 Update Undo Log Record，将记录恢复到 Undo Log Record 中记录的旧值。
对于 DELETE 操作: 找到对应的 Update Undo Log Record，将记录重新插入到表中。

MVCC

MVCC 的实现依赖于 Undo Log 和 Read View。Read View 是一个事务在启动时创建的，它定义了该事务可以看到哪些版本的数据。

当一个事务需要读取某一行数据时，InnoDB 会按照以下步骤进行：

检查当前版本的数据是否对该事务可见。可见性判断的依据是 Read View。
如果当前版本的数据不可见，则根据当前版本的 trx_id (事务 ID) 在 Undo Log 中查找该行的历史版本。
重复步骤 1 和 2，直到找到一个对该事务可见的版本，或者遍历完所有的历史版本。

代码示例 (模拟 Undo Log 的基本结构)

为了更好地理解 Undo Log 的结构，我们可以用代码来模拟 Undo Log 的基本结构。

class UndoLogRecord:
    """
    模拟 Undo Log Record 的结构
    """
    def __init__(self, table_id, row_id, trx_id, update_type, old_values, prev_undo_log_pointer=None):
        self.table_id = table_id
        self.row_id = row_id
        self.trx_id = trx_id
        self.update_type = update_type
        self.old_values = old_values
        self.prev_undo_log_pointer = prev_undo_log_pointer

    def __repr__(self):
        return f"UndoLogRecord(table_id={self.table_id}, row_id={self.row_id}, trx_id={self.trx_id}, update_type='{self.update_type}', old_values={self.old_values})"

class UndoLog:
    """
    模拟 Undo Log 的结构
    """
    def __init__(self):
        self.undo_records = []

    def add_record(self, table_id, row_id, trx_id, update_type, old_values):
        """
        添加 Undo Log Record
        """
        prev_undo_log_pointer = self.undo_records[-1] if self.undo_records else None
        record = UndoLogRecord(table_id, row_id, trx_id, update_type, old_values, prev_undo_log_pointer)
        self.undo_records.append(record)
        return record

    def rollback(self):
        """
        模拟事务回滚
        """
        if not self.undo_records:
            print("No undo records found.")
            return

        print("Rolling back transaction...")
        for record in reversed(self.undo_records):  # 从后往前遍历 Undo Log Record
            if record.update_type == "INSERT":
                print(f"Rolling back INSERT operation on table {record.table_id}, row {record.row_id}")
                # 模拟删除操作
                # delete_row(record.table_id, record.row_id)
                pass  # 实际删除操作需要连接数据库并执行 SQL
            elif record.update_type == "UPDATE":
                print(f"Rolling back UPDATE operation on table {record.table_id}, row {record.row_id}, restoring old values: {record.old_values}")
                # 模拟更新操作
                # update_row(record.table_id, record.row_id, record.old_values)
                pass # 实际更新操作需要连接数据库并执行 SQL
            elif record.update_type == "DELETE":
                print(f"Rolling back DELETE operation on table {record.table_id}, row {record.row_id}, re-inserting row with old values: {record.old_values}")
                # 模拟插入操作
                # insert_row(record.table_id, record.row_id, record.old_values)
                pass # 实际插入操作需要连接数据库并执行 SQL

        print("Transaction rolled back successfully.")

# 示例用法
if __name__ == '__main__':
    undo_log = UndoLog()

    # 模拟事务 ID
    trx_id = 123

    # 模拟 INSERT 操作
    undo_log.add_record(table_id=1, row_id=10, trx_id=trx_id, update_type="INSERT", old_values={})

    # 模拟 UPDATE 操作
    undo_log.add_record(table_id=1, row_id=10, trx_id=trx_id, update_type="UPDATE", old_values={"name": "Old Name"})

    # 模拟 DELETE 操作
    undo_log.add_record(table_id=1, row_id=10, trx_id=trx_id, update_type="DELETE", old_values={"name": "New Name", "age": 30})

    # 回滚事务
    undo_log.rollback()

这个代码示例只是一个简化的模拟，它展示了 Undo Log Record 的基本结构和 Undo Log 的工作流程。实际的 InnoDB Undo Log 的实现要复杂得多，涉及到磁盘 I/O、锁管理、并发控制等多个方面。

Undo Log 的管理

Undo Log 的管理对于数据库的性能和稳定性至关重要。

Undo Tablespace 的大小: Undo Tablespace 的大小需要根据应用的负载进行调整。如果 Undo Tablespace 太小，可能会导致事务回滚失败或 MVCC 无法正常工作。可以通过参数 innodb_undo_tablespaces 和 innodb_undo_log_truncate 来管理 Undo Tablespace 的大小。
Undo Log 的清理: 当事务提交后，Undo Log 中的一些记录可能不再需要。InnoDB 会定期清理不再需要的 Undo Log 记录，释放磁盘空间。这个过程称为 Purge。
监控 Undo Log 的使用情况: 可以通过监控 InnoDB 的状态变量，例如 Innodb_undo_logs，来了解 Undo Log 的使用情况。

Undo Log 相关参数

以下是一些重要的 InnoDB Undo Log 相关参数：

参数名	描述
`innodb_undo_tablespaces`	指定 Undo Tablespace 的数量。默认值为 2。
`innodb_undo_directory`	指定 Undo Tablespace 文件的存储目录。
`innodb_undo_log_truncate`	启用或禁用 Undo Log 的截断功能。启用后，InnoDB 会定期截断 Undo Log 文件，释放磁盘空间。
`innodb_max_undo_log_size`	指定 Undo Log 文件的最大大小。当 Undo Log 文件达到这个大小时，InnoDB 会尝试截断该文件。
`innodb_purge_batch_size`	指定每次 Purge 操作清理的 Undo Log 页面的数量。
`innodb_purge_threads`	指定执行 Purge 操作的线程数。

优化建议

合理设置 Undo Tablespace 的大小: 根据应用的负载和数据修改的频率，合理设置 innodb_undo_tablespaces 和 innodb_max_undo_log_size 参数。
启用 Undo Log 截断功能: 启用 innodb_undo_log_truncate 参数，定期截断 Undo Log 文件，释放磁盘空间。
监控 Undo Log 的使用情况: 通过监控 InnoDB 的状态变量，及时发现 Undo Log 的问题。
优化事务设计: 避免长时间的事务，尽量将大事务拆分成多个小事务，减少 Undo Log 的生成量。

关于Undo Log的思考

Undo Log 是 InnoDB 存储引擎中实现事务和 MVCC 的关键组成部分。它记录了数据修改前的状态，用于事务回滚和提供历史版本数据。理解 Undo Log 的物理结构、工作流程和管理方式，可以帮助我们更好地使用和优化 MySQL 数据库。通过合理配置 Undo Log 相关参数，监控 Undo Log 的使用情况，并优化事务设计，可以提高数据库的性能和稳定性。