MySQL架构与底层原理之：`InnoDB`的`undo log`：其在事务回滚和`MVCC`中的作用。 - 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 Undo Log：事务回滚与MVCC的基石

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中一个至关重要的组件：Undo Log。它在事务回滚和 MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）中扮演着核心角色。理解 Undo Log 的工作机制，对于我们深入理解 MySQL 的事务特性和并发控制机制至关重要。

1. 什么是 Undo Log？

Undo Log，顾名思义，是一种用于撤销（undo）操作的日志。在 InnoDB 中，每当事务修改数据时，不仅会记录 Redo Log，还会记录 Undo Log。Undo Log 记录的是修改操作的反向操作，即如何将数据恢复到修改前的状态。

例如：

如果事务执行了 INSERT 操作，Undo Log 会记录一个对应的 DELETE 操作，用于删除该插入的数据。
如果事务执行了 UPDATE 操作，Undo Log 会记录更新前的数据值，用于将数据恢复到原始状态。
如果事务执行了 DELETE 操作，Undo Log 会记录被删除的行的所有列信息，以便重新插入该行。

Undo Log 实际上是一系列逻辑操作的集合，而不是物理上的数据拷贝。这使得 Undo Log 的记录更加高效，占用空间更小。

2. 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。这种 Undo Log 只在事务回滚时使用，事务提交后可以立即丢弃。
Update Undo Log： 用于回滚 UPDATE 和 DELETE 操作。这种 Undo Log 除了在事务回滚时使用，还被 MVCC 机制用于构造旧版本的数据，因此不能立即丢弃，需要在适当的时候进行 Purge 操作。

3. Undo Log 的存储

Undo Log 存储在特殊的段（Segment）中，这些段被称为 Undo Segment。 Undo Segment 默认位于共享表空间 ibdata1 中，也可以配置为独立表空间。 Undo Segment 内部由多个 Undo Log Page 组成。

在 MySQL 8.0 之后，InnoDB 引入了undo tablespace的概念，允许多个 undo 表空间，并配置为独立文件，进一步提高I/O性能和管理灵活性。

4. Undo Log 在事务回滚中的作用

事务回滚是 Undo Log 最直接的应用。当事务由于某种原因（例如发生错误、用户主动取消等）需要回滚时，InnoDB 会使用 Undo Log 中记录的反向操作，将数据恢复到事务开始之前的状态，保证事务的原子性。

以下是一个简单的示例，说明 Undo Log 如何用于回滚 UPDATE 操作：

假设我们有一个 users 表，其中包含 id 和 name 两列。

CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(255)
);

INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, 'Alice');

现在，假设我们开启一个事务，将 id 为 1 的用户的 name 修改为 ‘Bob’，然后回滚该事务：

START TRANSACTION;
UPDATE users SET name = 'Bob' WHERE id = 1;
-- 执行一些操作...
ROLLBACK;

在这个过程中，InnoDB 会执行以下操作：

事务开始后，InnoDB 会为该事务分配一个事务ID（Transaction ID）。
执行 UPDATE 操作时，InnoDB 会：
- 将修改后的数据写入 Redo Log。
- 将修改前的 name 值（’Alice’）写入 Undo Log，并将其与该事务ID关联。
- 执行实际的 UPDATE 操作，将 users 表中 id 为 1 的用户的 name 修改为 ‘Bob’。
执行 ROLLBACK 操作时，InnoDB 会：
- 从 Undo Log 中找到与该事务ID关联的 Undo Log 记录。
- 根据 Undo Log 记录，将 users 表中 id 为 1 的用户的 name 恢复为 ‘Alice’。
- 标记该事务为已回滚。

通过这种方式，Undo Log 保证了事务的回滚操作能够将数据恢复到事务开始之前的状态，从而满足了事务的原子性要求。

5. Undo Log 在 MVCC 中的作用

MVCC 是 InnoDB 实现并发控制的核心机制。它允许多个事务同时读取同一份数据，而无需加锁，从而提高了并发性能。MVCC 的关键在于，它为每个事务创建了一个数据快照（Snapshot），事务只能看到自己版本的数据。

Undo Log 在 MVCC 中扮演着至关重要的角色，它用于构造旧版本的数据快照。当一个事务需要读取某个数据行的旧版本时，InnoDB 会通过以下步骤来构造该版本的数据：

找到该数据行的最新版本（即当前版本）。
检查该数据行的每个版本的事务ID，判断该版本是否对当前事务可见。如果可见，则返回该版本。
如果最新版本对当前事务不可见，则根据该版本的 Undo Log 记录，找到该数据行的前一个版本。
重复步骤 2 和 3，直到找到一个对当前事务可见的版本，或者到达该数据行的最旧版本。

以下是一个简单的示例，说明 Undo Log 如何用于构造旧版本的数据快照：

假设我们有一个 users 表，初始数据为 id=1, name='Alice'。

现在，假设有两个事务 A 和 B 同时进行：

事务 A：读取 id 为 1 的用户的 name。
事务 B：将 id 为 1 的用户的 name 修改为 ‘Bob’，然后提交。

在事务 B 提交之前，事务 A 看到的应该是 id 为 1 的用户的 name 为 ‘Alice’。这是如何实现的呢？

事务 A 开始时，InnoDB 会为该事务创建一个 Read View，其中包含当前活跃事务的列表。
事务 A 执行 SELECT 操作时，InnoDB 会：
- 找到 id 为 1 的用户的最新版本（name='Bob'）。
- 检查该版本的事务ID，发现该事务ID不在事务 A 的 Read View 中，说明该版本对事务 A 不可见。
- 根据该版本的 Undo Log 记录，找到该数据行的前一个版本（name='Alice'）。
- 检查该版本的事务ID，发现该事务ID小于事务 A 的 Read View 中最小的事务ID，说明该版本对事务 A 可见。
- 返回 name='Alice' 给事务 A。

通过这种方式，Undo Log 保证了事务 A 能够读取到数据行的旧版本，而不会受到事务 B 的修改的影响，从而实现了 MVCC。

6. Undo Log 的 Purge

由于 Update Undo Log 需要用于 MVCC，因此不能像 Insert Undo Log 那样在事务提交后立即丢弃。这些Undo Log记录需要保留一段时间，直到没有事务需要访问它们所指向的旧版本数据为止。

InnoDB 通过 Purge 线程来清理不再需要的 Undo Log。 Purge 线程会定期扫描 Undo Log，判断是否存在可以删除的 Undo Log 记录。 Purge 的主要判断依据是 Read View，如果没有任何活跃事务需要访问某个 Undo Log 记录所指向的旧版本数据，那么该 Undo Log 记录就可以被安全地删除。

Purge 操作是一个后台进程，它会尽量避免对正常事务造成影响。但是，如果 Undo Log 积累过多，Purge 操作可能会变得缓慢，甚至阻塞正常事务。因此，合理配置 Undo Log 的相关参数，以及监控 Undo Log 的使用情况，对于保证 MySQL 性能至关重要。

7. Undo Log 相关参数配置

以下是一些与 Undo Log 相关的常用配置参数：

参数名	描述	默认值
`innodb_undo_tablespaces`	Undo 表空间的数量。	0 （表示使用共享表空间）
`innodb_undo_directory`	Undo 表空间的存储目录。	数据目录
`innodb_max_undo_log_size`	单个 Undo 表空间的最大大小。	(innodb_data_file_path * 256M) / 16
`innodb_purge_batch_size`	Purge 操作每次清理的 Undo Log 数量。	300
`innodb_purge_threads`	用于 Purge 操作的线程数。	4

合理配置这些参数，可以有效地控制 Undo Log 的存储空间和 Purge 操作的效率，从而提高 MySQL 的性能。

8. Undo Log 的监控

可以通过以下方式来监控 Undo Log 的使用情况：

查看 information_schema.innodb_metrics 表： 该表包含了 InnoDB 的各种指标，其中包括 Undo Log 相关的指标，例如 undo_log_space、undo_log_truncate 等。
使用 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令： 该命令会显示 InnoDB 的详细状态信息，其中包括 Undo Log 相关的状态信息。

通过监控 Undo Log 的使用情况，可以及时发现潜在的问题，例如 Undo Log 空间不足、Purge 操作缓慢等，并采取相应的措施进行优化。

代码示例：

以下是一个简单的 Python 脚本，用于查询 information_schema.innodb_metrics 表，获取 Undo Log 相关的指标：

import mysql.connector

config = {
    'user': 'your_user',
    'password': 'your_password',
    'host': 'your_host',
    'database': 'information_schema'
}

try:
    conn = mysql.connector.connect(**config)
    cursor = conn.cursor()

    query = """
    SELECT NAME, COUNT, TIME_ENABLED, TIME_DISABLED
    FROM innodb_metrics
    WHERE NAME LIKE 'undo_log%'
    """

    cursor.execute(query)

    print("Undo Log Metrics:")
    for (name, count, time_enabled, time_disabled) in cursor:
        print(f"  Name: {name}")
        print(f"  Count: {count}")
        print(f"  Time Enabled: {time_enabled}")
        print(f"  Time Disabled: {time_disabled}")
        print("-" * 20)

except mysql.connector.Error as err:
    print(f"Error: {err}")

finally:
    if conn:
        cursor.close()
        conn.close()

这个脚本连接到 information_schema 数据库，查询 innodb_metrics 表中以 undo_log 开头的指标，并打印结果。通过定期运行这个脚本，可以监控 Undo Log 的使用情况，及时发现潜在的问题。当然，实际使用中，可以根据具体需求修改查询语句，获取更详细的信息。

Undo Log 的作用与重要性

Undo Log 是 InnoDB 存储引擎中不可或缺的组件，它在事务回滚和 MVCC 中扮演着核心角色。理解 Undo Log 的工作机制，对于我们深入理解 MySQL 的事务特性和并发控制机制至关重要。通过合理配置 Undo Log 的相关参数，以及监控 Undo Log 的使用情况，可以有效地提高 MySQL 的性能和稳定性。

MySQL InnoDB Undo Log：事务回滚与MVCC的基石

发表回复 取消回复

发表回复取消回复