MySQL存储引擎内部之：`InnoDB`的`Purge Thread`：其在`Undo Log`清理中的工作模型。 - 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

好的，我们开始今天的讲座，主题是：MySQL存储引擎内部之：InnoDB的Purge Thread：其在Undo Log清理中的工作模型。

1. 事务与Undo Log

在深入Purge Thread之前，我们必须理解事务和Undo Log在InnoDB中的作用。InnoDB是一个支持ACID事务的存储引擎。ACID代表原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability）。

原子性（Atomicity）： 事务中的所有操作要么全部成功，要么全部失败。
一致性（Consistency）： 事务必须保证数据库从一个一致的状态转换到另一个一致的状态。
隔离性（Isolation）： 并发执行的事务之间应该相互隔离，避免互相干扰。
持久性（Durability）： 一旦事务提交，其结果应该永久保存。

为了实现这些特性，InnoDB使用了许多机制，其中之一就是Undo Log。Undo Log记录了事务对数据所做的修改的反向操作。例如，如果一个事务将某一行的数据从10更新为20，那么Undo Log就会记录一个将该行数据从20恢复为10的操作。

Undo Log主要用于以下两个目的：

回滚（Rollback）： 当事务需要回滚时，InnoDB可以使用Undo Log来撤销事务已经做的修改，将数据恢复到事务开始之前的状态。
MVCC (多版本并发控制)： InnoDB使用Undo Log来实现MVCC。MVCC允许多个事务同时读取同一份数据，而不会互相阻塞。当一个事务需要读取某个版本的数据时，InnoDB可以通过Undo Log找到该版本的数据。

2. Undo Log的结构

Undo Log以链表的形式组织，每个链表项对应一个事务对数据的修改操作。每个Undo Log记录包含以下信息（简化版）：

Undo No: 唯一标识Undo Log记录的编号。
Transaction ID: 标识创建该Undo Log记录的事务ID。
Table ID: 标识被修改的表的ID。
Page No: 标识被修改的数据页的页号。
Offset: 标识被修改的数据在数据页中的偏移量。
Old Value: 被修改数据的旧值。
Next Undo Log No: 指向下一个Undo Log记录的指针。

Undo Log存储在特殊的Undo Log Tablespace中。在MySQL 5.6之前，Undo Log只能存储在系统表空间ibdata1中。从MySQL 5.6开始，Undo Log可以存储在独立的Undo Log Tablespace中，这可以提高性能和灵活性。

3. Purge操作的目的

当一个事务提交后，其对应的Undo Log记录不再需要用于回滚操作。但是，这些Undo Log记录可能仍然需要用于MVCC，直到没有其他事务需要读取该版本的数据。一旦Undo Log记录不再需要用于回滚和MVCC，就可以被安全地删除，释放存储空间。这个删除Undo Log记录的过程被称为Purge。

Purge操作的主要目的是：

回收存储空间： 删除不再需要的Undo Log记录，释放Undo Log Tablespace的空间。
减少IO： 减少Undo Log Tablespace的大小可以提高性能，因为可以减少IO操作。
加速查询： 减少Undo Log的数量可以加速MVCC的查询，因为需要遍历的Undo Log更少。

4. Purge Thread的职责

Purge Thread是InnoDB中负责执行Purge操作的后台线程。Purge Thread的主要职责包括：

扫描Undo Log： 扫描Undo Log Tablespace，查找可以被删除的Undo Log记录。
判断Undo Log是否可以删除： 判断Undo Log记录是否不再需要用于MVCC。
删除Undo Log： 删除可以被删除的Undo Log记录，并回收存储空间。
协调与其他线程： 与其他线程（例如，负责插入、更新和删除操作的线程）协调，避免冲突。

5. Purge Thread的工作模型

Purge Thread的工作模型可以概括为以下几个步骤：

获取LSN（Log Sequence Number）信息： Purge Thread需要获取当前的最小LSN，这个LSN代表了所有活跃事务中最早的LSN。所有早于这个LSN的Undo Log原则上都可以被Purge。这个最小LSN也经常被叫做History Length。
扫描Undo Log Tablespace： Purge Thread会扫描Undo Log Tablespace，查找可以被删除的Undo Log记录。实际的扫描过程是基于Undo Log的链表结构进行的。
判断Undo Log是否可以删除： 对于每个Undo Log记录，Purge Thread需要判断它是否可以被删除。这需要考虑以下因素：
- 事务是否提交： 如果事务尚未提交，则Undo Log不能被删除，因为它可能需要用于回滚。
- 是否存在其他事务需要使用该版本的数据： 如果存在其他事务需要使用该版本的数据，则Undo Log不能被删除，因为它需要用于MVCC。Purge Thread会检查是否有读事务的Read View需要这个Undo Log。
删除Undo Log： 如果Undo Log可以被删除，Purge Thread会将其从Undo Log Tablespace中删除，并回收存储空间。这个过程涉及到对Undo Log所在的页进行修改，将其标记为空闲空间。
循环执行： Purge Thread会不断循环执行上述步骤，直到没有更多的Undo Log可以被删除。

6. 影响Purge效率的因素

Purge Thread的效率受到多种因素的影响，包括：

活跃事务的数量： 如果有大量的活跃事务，那么Undo Log的数量就会很多，Purge Thread需要扫描的Undo Log也就越多，效率就会降低。
长事务： 如果存在长事务，那么History Length会变得很大，导致大量的Undo Log无法被Purge，从而影响Purge Thread的效率。
IO性能： Purge Thread需要频繁地读写Undo Log Tablespace，因此IO性能对Purge Thread的效率有很大的影响。
Purge Thread的数量： InnoDB支持多个Purge Thread并发执行，可以提高Purge的效率。可以通过配置innodb_purge_threads参数来调整Purge Thread的数量。

7. 相关配置参数

以下是一些与Purge Thread相关的配置参数：

参数名	描述	默认值
`innodb_purge_threads`	并发purge线程的数量。	4
`innodb_purge_batch_size`	每次purge操作处理的undo log页的数量。	300
`innodb_max_undo_log_size`	undo tablespace的最大大小，超过这个大小会触发truncate。	1073741824 (1GB)
`innodb_undo_tablespaces`	undo log文件数量,5.7之后可以设置多个undo tablespace，提高并发purge效率。	0

8. 代码示例（简化版）

以下是一个简化版的Purge Thread的代码示例，用于说明Purge Thread的工作原理：

// 简化版Purge Thread代码

class PurgeThread {
public:
  PurgeThread(InnoDB& innodb) : innodb_(innodb) {}

  void run() {
    while (true) {
      // 1. 获取最小LSN (History Length)
      lsn_t min_lsn = innodb_.get_min_lsn();

      // 2. 扫描Undo Log Tablespace
      UndoLogIterator iterator(innodb_.undo_log_tablespace());
      while (iterator.has_next()) {
        UndoLogRecord record = iterator.next();

        // 3. 判断Undo Log是否可以删除
        if (can_purge(record, min_lsn)) {
          // 4. 删除Undo Log
          innodb_.undo_log_tablespace().delete_record(record);
        }
      }

      // 休息一段时间
      std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100));
    }
  }

private:
  bool can_purge(const UndoLogRecord& record, lsn_t min_lsn) {
    // 检查事务是否已提交
    if (!record.is_transaction_committed()) {
      return false;
    }

    // 检查是否存在其他事务需要使用该版本的数据
    if (innodb_.is_version_needed(record.transaction_id())) {
      return false;
    }

    // 检查Undo Log的LSN是否小于最小LSN
    if (record.lsn() > min_lsn) {
      return false;
    }

    return true;
  }

private:
  InnoDB& innodb_;
};

代码解释:

PurgeThread::run()函数是Purge Thread的主循环。
innodb_.get_min_lsn()函数获取当前最小的LSN。
UndoLogIterator用于遍历Undo Log Tablespace中的Undo Log记录。
can_purge()函数判断一个Undo Log记录是否可以被删除。
innodb_.undo_log_tablespace().delete_record()函数删除Undo Log记录。

请注意，这只是一个简化版的代码示例，实际的Purge Thread实现要复杂得多，需要考虑更多的因素，例如并发控制、错误处理和性能优化。

9. Purge操作的监控

可以通过以下方式监控Purge操作:

SHOW ENGINE INNODB STATUS: 在输出中可以找到关于 purge 操作的信息，例如 purge 线程的状态，已经处理的 undo log 数量等。
Performance Schema: Performance Schema 提供了更详细的关于 purge 操作的统计信息，例如 purge 操作的耗时，IO 等。

10. 总结：Purge Thread 的核心作用与优化方向

Purge Thread是InnoDB存储引擎中一个至关重要的后台线程，负责清理不再需要的Undo Log记录，释放存储空间，并加速MVCC查询。理解其工作模型和影响因素有助于我们更好地优化MySQL数据库的性能。优化方向包括减少长事务、优化IO性能、以及合理配置Purge Thread的数量。

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