探索 `InnoDB` `Undo Log` 的生命周期：从事务提交到 `Purge` 线程的异步清理机制。 - 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

InnoDB Undo Log 的生命周期：从事务提交到异步清理

大家好，今天我们来深入探讨一下 InnoDB 存储引擎中 Undo Log 的生命周期，从事务提交到 Purge 线程的异步清理机制。理解 Undo Log 的生命周期对于诊断数据库问题、优化性能至关重要。

1. Undo Log 的作用与类型

Undo Log 的主要作用是实现事务的原子性和一致性，即在事务执行过程中，如果发生错误或者需要回滚，可以通过 Undo Log 将数据恢复到事务开始之前的状态。

Undo Log 主要分为两种类型：

Insert Undo Log： 用于回滚 INSERT 操作。由于 INSERT 操作是新增数据，回滚时只需要删除新增的数据即可。Insert Undo Log 相对简单，只需要记录新插入记录的 row_id。
Update Undo Log： 用于回滚 UPDATE 和 DELETE 操作。Update Undo Log 记录了修改前的数据信息，以便在回滚时恢复数据。Update Undo Log 包含修改的字段信息、旧值、row_id 等。

2. Undo Log 的存储结构

Undo Log 存储在 Undo Tablespace 中。Undo Tablespace 可以是独立的物理文件，也可以与系统表空间共享。InnoDB 5.6 版本之后，默认使用独立的 Undo Tablespace。

Undo Tablespace 内部组织成多个 Rollback Segment，每个 Rollback Segment 又包含多个 Undo Log。每个 Undo Log 对应一个事务的操作记录。

Undo Log 的物理结构比较复杂，包含以下几个关键部分：

Undo Header： 包含 Undo Log 的元数据信息，例如 Undo Log 的类型、事务 ID、状态等。
Undo Body： 包含实际的回滚数据，例如旧值、row_id 等。
Undo Trailer： 包含校验信息，用于保证 Undo Log 的完整性。

3. Undo Log 的创建与写入

当一个事务开始时，InnoDB 会为该事务分配一个事务 ID (transaction ID, 也常称为 trx_id)。在事务执行过程中，每次修改数据时，InnoDB 都会生成相应的 Undo Log，并将 Undo Log 写入 Undo Tablespace。

以下代码片段模拟了 Undo Log 的创建和写入过程（简化版本，仅用于说明原理）：

// 假设 update 操作修改了表 t1 的一行数据，将 column1 的值从 old_value 修改为 new_value

// 1. 创建 Undo Log 对象
UndoLog *undo_log = new UndoLog();
undo_log->trx_id = current_transaction_id(); // 设置事务 ID
undo_log->type = UNDO_UPDATE;                // 设置 Undo Log 类型

// 2. 填充 Undo Body
undo_log->old_value = old_value;          // 记录旧值
undo_log->row_id = row_id;                // 记录行 ID
undo_log->table_id = table_id;              // 记录表 ID
undo_log->column_id = column_id;            // 记录列 ID

// 3. 将 Undo Log 写入 Undo Tablespace
write_undo_log(undo_log);

// 4. 更新数据页，并将 Undo Log 的 LSN (Log Sequence Number) 写入数据页
update_data_page(row_id, new_value, undo_log->lsn);

在这个过程中，需要注意以下几点：

LSN： LSN 是一个单调递增的序列号，用于标识 Redo Log 和 Undo Log 的写入顺序。数据页中会记录最近一次修改的 LSN，用于崩溃恢复。
原子性： Undo Log 的写入必须是原子性的，以保证在崩溃时能够正确回滚。InnoDB 使用 AIO (Asynchronous I/O) 和 doublewrite buffer 来保证写入的原子性。
事务 ID： 每个 Undo Log 都关联一个事务 ID，用于标识该 Undo Log 属于哪个事务。

4. 事务提交与 Undo Log 的状态变更

当事务成功提交时，InnoDB 会执行以下操作：

写入 Redo Log： 将事务的修改操作写入 Redo Log，用于保证持久性。
修改事务状态： 将事务状态设置为 COMMITTED。
释放锁： 释放事务持有的锁。
标记 Undo Log 为可清除： 将 Undo Log 的状态标记为 TRX_UNDO_TO_PURGE，表示该 Undo Log 可以被 Purge 线程清除。

5. MVCC 与 Undo Log 的保留

InnoDB 使用 MVCC (Multi-Version Concurrency Control) 来实现并发控制。MVCC 的核心思想是为每个事务创建一个数据快照，事务只能看到自己可见的数据版本。

Undo Log 在 MVCC 中扮演着重要的角色。当一个事务需要读取某个数据行时，InnoDB 会根据事务的 Read View (一致性视图) 来判断应该读取哪个版本的数据。如果需要读取历史版本的数据，InnoDB 会通过 Undo Log 来还原数据。

这意味着，即使事务已经提交，Undo Log 也不能立即被清除，因为可能还有其他事务需要读取该 Undo Log 对应的历史版本数据。

6. Purge 线程的异步清理

Purge 线程是 InnoDB 中一个后台线程，负责异步清理不再需要的 Undo Log。Purge 线程的执行过程如下：

扫描 Undo Tablespace： Purge 线程会定期扫描 Undo Tablespace，查找状态为 TRX_UNDO_TO_PURGE 的 Undo Log。
判断 Undo Log 是否可以清除： Purge 线程会检查是否有其他事务仍然需要访问该 Undo Log 对应的历史版本数据。如果没有，则可以清除该 Undo Log。
清除 Undo Log： Purge 线程会将 Undo Log 从 Undo Tablespace 中移除，并回收空间。

以下代码片段模拟了 Purge 线程的清理过程（简化版本，仅用于说明原理）：

// Purge 线程的主循环
while (true) {
    // 1. 扫描 Undo Tablespace
    std::vector<UndoLog*> undo_logs = scan_undo_tablespace();

    for (UndoLog *undo_log : undo_logs) {
        // 2. 判断 Undo Log 是否可以清除
        if (undo_log->state == TRX_UNDO_TO_PURGE && can_purge_undo_log(undo_log)) {
            // 3. 清除 Undo Log
            purge_undo_log(undo_log);
        }
    }

    // 休眠一段时间
    sleep(purge_interval);
}

// 判断 Undo Log 是否可以清除
bool can_purge_undo_log(UndoLog *undo_log) {
    // 检查是否有其他事务的 Read View 包含了该 Undo Log 对应的历史版本
    // (简化版本，实际实现会更复杂)
    for (Transaction *trx : active_transactions) {
        if (trx->read_view->contains(undo_log->trx_id)) {
            return false; // 仍然有事务需要访问该 Undo Log 对应的历史版本
        }
    }

    return true; // 没有事务需要访问该 Undo Log 对应的历史版本
}

// 清除 Undo Log
void purge_undo_log(UndoLog *undo_log) {
    // 将 Undo Log 从 Undo Tablespace 中移除
    remove_undo_log(undo_log);

    // 回收空间
    recycle_undo_log_space(undo_log);

    // 更新相关统计信息
    update_purge_stats(undo_log);

    // 释放 Undo Log 对象
    delete undo_log;
}

Purge 线程的异步清理机制可以有效地回收 Undo Tablespace 的空间，避免 Undo Tablespace 无限制增长。

7. Undo Log 相关的配置参数

InnoDB 提供了多个配置参数来控制 Undo Log 的行为，例如：

参数名称	默认值	描述
`innodb_undo_tablespaces`	2	Undo Tablespace 的数量。增加 Undo Tablespace 的数量可以提高并发性能，减少 I/O 竞争。
`innodb_max_undo_log_size`	1073741824	单个 Undo Tablespace 的最大大小，单位是字节 (1GB)。当 Undo Tablespace 达到最大大小时，InnoDB 会自动扩展 Undo Tablespace。
`innodb_purge_batch_size`	300	Purge 线程每次清理的 Undo Log 数量。增加该值可以提高 Purge 线程的清理效率，但也可能增加 I/O 压力。
`innodb_purge_threads`	4	用于执行purge 操作的线程数。增加线程数可以提高purge效率，但是会增加CPU的消耗。
`innodb_undo_log_truncate`	OFF	是否启用Undo Log截断功能。启用此功能后，InnoDB会定期检查Undo Tablespace的大小，如果超过阈值，则会尝试截断Undo Tablespace，释放空间。此功能在MySQL 5.7.9及更高版本中可用。

合理配置这些参数可以优化 Undo Log 的性能，避免 Undo Tablespace 空间不足的问题。

8. 案例分析：Undo Tablespace 空间不足

如果 Undo Tablespace 空间不足，可能会导致以下问题：

事务无法提交： 当 Undo Tablespace 空间不足时，事务可能无法提交，并返回错误。
数据库性能下降： Undo Tablespace 空间不足会导致 Purge 线程无法及时清理 Undo Log，从而影响数据库的性能。

以下是一个 Undo Tablespace 空间不足的案例：

大量长时间运行的事务： 如果存在大量长时间运行的事务，这些事务会占用大量的 Undo Log 空间，导致 Undo Tablespace 空间不足。
缓慢的 Purge 线程： 如果 Purge 线程的清理速度跟不上 Undo Log 的生成速度，也会导致 Undo Tablespace 空间不足。

解决方案：

优化事务： 尽量减少长时间运行的事务，将大事务拆分成小事务。
调整 Purge 线程参数： 适当增加 innodb_purge_batch_size 和 innodb_purge_threads 的值，提高 Purge 线程的清理效率。
增加 Undo Tablespace 数量： 增加 innodb_undo_tablespaces 的值，提高并发性能，减少 I/O 竞争。
启用Undo Log截断功能： 启用innodb_undo_log_truncate，定期检查和截断Undo Tablespace。

9. 调试与监控

可以使用以下方法来调试和监控 Undo Log 的状态：

查看 information_schema.INNODB_METRICS 表： 该表提供了关于 InnoDB 内部状态的各种指标，包括 Undo Log 相关的指标，例如 undo_logs_created、undo_logs_purged 等。
使用 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令： 该命令可以显示 InnoDB 的状态信息，包括 Purge 线程的状态。
监控 Undo Tablespace 的大小： 可以通过操作系统工具或者 MySQL 的监控工具来监控 Undo Tablespace 的大小，及时发现空间不足的问题。

通过监控这些指标，可以及时发现 Undo Log 相关的问题，并采取相应的措施。

事务操作影响Undo Log的生命周期

Undo Log的生命周期与事务的提交或回滚密切相关。事务提交后，Undo Log变为可清除状态，而事务回滚时，则利用Undo Log将数据恢复到事务开始之前的状态。

异步清理避免空间无限增长

Purge线程的异步清理机制有效地回收Undo Tablespace的空间，避免Undo Tablespace无限制增长，保证数据库的稳定运行。

InnoDB Undo Log 的生命周期：从事务提交到异步清理

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