MySQL的`Innodb`的`Undo Log`：如何理解其`rollback segment`的物理存储与管理？ - 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: 回滚段的物理存储与管理

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成部分：Undo Log，特别是它的物理存储和回滚段的管理。理解 Undo Log 的机制对于深入理解 InnoDB 的事务处理、MVCC 和崩溃恢复至关重要。

1. Undo Log 的作用与类型

Undo Log 本质上是一种日志，用于记录事务修改数据之前的状态。当事务需要回滚时，Undo Log 可以用来将数据恢复到修改前的版本，从而保证事务的原子性。此外，Undo Log 也是实现 MVCC (多版本并发控制) 的关键。

InnoDB 中 Undo Log 主要有两种类型：

Insert Undo Log: 用于 INSERT 操作。在事务回滚时，INSERT 操作只需要简单地删除新插入的行即可。由于插入前数据不存在，因此 Insert Undo Log 非常简单，回滚时直接删除即可。
Update Undo Log: 用于 UPDATE 和 DELETE 操作。它记录了修改或删除前的旧数据，以便在事务回滚时恢复到原来的状态。Update Undo Log 相对复杂，因为它需要存储更多信息。

2. 回滚段 (Rollback Segment) 的概念

回滚段是 Undo Log 的物理存储区域，用于组织和管理 Undo Log。它是一个逻辑概念，在物理上由多个 Undo Log Pages 组成。每个回滚段可以同时服务于多个并发事务，每个事务在执行期间可能需要多个 Undo Log 条目。

回滚段的主要职责包括：

分配 Undo Log 空间: 为新的事务分配 Undo Log 存储空间。
管理 Undo Log 条目: 维护 Undo Log 条目的链表结构，方便回滚时按照正确的顺序进行恢复。
空间回收: 当事务提交后，如果 Undo Log 不再需要用于回滚，可以将其回收用于后续事务。但是，为了MVCC，部分Undo Log需要保留更长时间。

3. 回滚段的物理存储结构

在 InnoDB 中，回滚段的数据存储在特殊的系统表空间 ibdata1 (或独立的 Undo 表空间，如果配置了 innodb_undo_tablespaces) 中。 InnoDB 将 Undo Log 数据存储在 Undo Log Pages 中。

Undo Log Pages: Undo Log Pages 是固定大小的页 (通常是 16KB)，用于存储实际的 Undo Log 条目。多个 Undo Log Pages 构成一个回滚段。
File Header & File Trailer: 每个 Undo Log Page 都有一个 File Header 和 File Trailer，用于存储元数据，例如页类型、校验和等。
Undo Log Header: 每个 Undo Log Page 内部还包含一个 Undo Log Header，用于管理该页面上的 Undo Log 条目。它可能包含指向前一个和后一个 Undo Log Page 的指针，形成一个链表结构。
Undo Log Entries: 实际的 Undo Log 条目存储在 Undo Log Page 的剩余空间中。每个 Undo Log 条目包含必要的信息，例如表 ID、行 ID、操作类型 (INSERT/UPDATE/DELETE) 以及旧数据。

下面是一个简化的 Undo Log Page 结构示意图：

+-----------------------+
|      File Header      |
+-----------------------+
|    Undo Log Header    |
+-----------------------+
|   Undo Log Entry 1    |
+-----------------------+
|   Undo Log Entry 2    |
+-----------------------+
|        ...            |
+-----------------------+
|   Undo Log Entry N    |
+-----------------------+
|    Free Space         |
+-----------------------+
|     File Trailer      |
+-----------------------+

4. 回滚段的管理

InnoDB 通过一些内部数据结构来管理回滚段：

Rollback Segment Header: 每个回滚段都有一个 Rollback Segment Header，存储了该回滚段的元数据，例如当前使用的 Undo Log Page、可用的 Undo Log 条目数量等。 Rollback Segment Header 通常位于 ibdata1 的某个固定位置。
Undo Slot: 每个事务都需要分配一个 Undo Slot，用于指向该事务使用的 Undo Log 链表的头部。 Undo Slot 通常位于事务控制块 (Transaction Control Block) 中。
链表结构: Undo Log 条目通过链表连接起来，形成一个 Undo Log 链。链表的顺序与事务执行期间修改数据的顺序相反，这样在回滚时可以按照正确的顺序进行恢复。

5. Undo Log 的分配与回收

当一个新的事务开始时，InnoDB 会从可用的回滚段中分配一个 Undo Slot。然后，事务开始执行，并根据需要分配 Undo Log 空间。

分配: InnoDB 首先尝试在当前使用的 Undo Log Page 中分配空间。如果空间不足，则会分配一个新的 Undo Log Page，并将其添加到 Undo Log 链表中。
回收: 当事务提交后，InnoDB 会检查 Undo Log 是否仍然需要用于 MVCC。如果不再需要，则将 Undo Log 标记为可回收，并将其释放回 Undo Log Page 的可用空间池中。如果需要MVCC，则保留相应版本的Undo Log。

6. 示例代码 (模拟 Undo Log 的创建和回滚)

以下是一个简化的 Python 代码示例，用于模拟 Undo Log 的创建和回滚过程 (仅用于演示概念，不涉及实际的数据库操作)：

class UndoLogEntry:
    def __init__(self, table_id, row_id, operation, old_value):
        self.table_id = table_id
        self.row_id = row_id
        self.operation = operation  # 'UPDATE', 'DELETE'
        self.old_value = old_value
        self.next = None  # 指向下一个 Undo Log Entry

class Transaction:
    def __init__(self, transaction_id):
        self.transaction_id = transaction_id
        self.undo_log_head = None #指向Undo Log链表的头部

    def log_operation(self, table_id, row_id, operation, old_value):
        """记录一个操作到 Undo Log"""
        entry = UndoLogEntry(table_id, row_id, operation, old_value)
        entry.next = self.undo_log_head
        self.undo_log_head = entry

    def rollback(self):
        """回滚事务"""
        current = self.undo_log_head
        while current:
            if current.operation == 'UPDATE':
                print(f"回滚 UPDATE: 表 {current.table_id}, 行 {current.row_id}, 恢复为 {current.old_value}")
                # 实际的数据库操作：将数据恢复为 old_value
            elif current.operation == 'DELETE':
                print(f"回滚 DELETE: 表 {current.table_id}, 行 {current.row_id}, 重新插入，值为 {current.old_value}")
                # 实际的数据库操作：重新插入数据
            current = current.next

# 示例用法
transaction = Transaction(123)

# 模拟一些数据库操作
transaction.log_operation(1, 10, 'UPDATE', {'name': 'Original Name', 'age': 30})
transaction.log_operation(1, 11, 'DELETE', {'name': 'Another Name', 'age': 25})
transaction.log_operation(2, 5, 'UPDATE', {'product': 'Old Product', 'price': 100})

# 回滚事务
transaction.rollback()

代码解释:

UndoLogEntry 类: 表示一个 Undo Log 条目，存储了表 ID、行 ID、操作类型和旧值。next 属性用于构建链表。
Transaction 类: 表示一个事务，包含 transaction_id 和 undo_log_head (指向 Undo Log 链表的头部)。
log_operation 方法: 将一个操作记录到 Undo Log 中。
rollback 方法: 遍历 Undo Log 链表，并根据操作类型执行相应的回滚操作。注意，这只是一个模拟，实际的回滚操作需要与数据库交互。

运行结果示例:

回滚 UPDATE: 表 2, 行 5, 恢复为 {'product': 'Old Product', 'price': 100}
回滚 DELETE: 表 1, 行 11, 重新插入，值为 {'name': 'Another Name', 'age': 25}
回滚 UPDATE: 表 1, 行 10, 恢复为 {'name': 'Original Name', 'age': 30}

7. InnoDB 中的相关参数

以下是一些与 Undo Log 相关的 InnoDB 配置参数 (可以通过 SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_undo%'; 查看):

参数名	描述
`innodb_undo_tablespaces`	Undo 表空间的数量。如果设置为大于 0 的值，则 Undo Log 将存储在独立的 Undo 表空间中，而不是 `ibdata1`。
`innodb_undo_directory`	Undo 表空间的存储目录。
`innodb_undo_log_truncate`	是否允许截断 Undo 表空间。启用此功能可以回收 Undo 表空间，避免其无限增长。
`innodb_max_undo_log_size`	Undo表空间截断之前的最大尺寸，超过这个尺寸会触发truncate操作。
`innodb_purge_batch_size`	purge线程清理历史undo log的批处理大小，影响清理效率。
`innodb_purge_threads`	purge线程的数量，用于异步清理不再需要的Undo Log。

8. Undo Log 的截断 (Truncate)

随着时间的推移，Undo Log 文件可能会变得非常大，占用大量的磁盘空间。为了解决这个问题，InnoDB 提供了 Undo Log 截断功能。

Undo Log 截断的原理是：

InnoDB 创建一个新的 Undo 表空间。
将当前正在使用的 Undo Log 逐步切换到新的 Undo 表空间。
当所有 Undo Log 都切换到新的表空间后，旧的 Undo 表空间就可以被安全地删除。

Undo Log 截断是一个在线操作，不会阻塞数据库的正常运行。

9. Undo Log 与 MVCC

Undo Log 是实现 MVCC 的关键。当一个事务修改数据时，InnoDB 不会直接覆盖旧数据，而是将旧数据保存在 Undo Log 中。其他事务可以根据需要访问 Undo Log 中的旧版本数据，从而实现并发读写。

具体来说，InnoDB 使用 Read View 来决定事务可以访问哪些版本的数据。 Read View 包含以下信息：

创建 Read View 的事务 ID: 表示创建 Read View 的事务的 ID。
活跃事务列表: 表示当前活跃的事务 ID 列表。

当事务需要读取一行数据时，InnoDB 会检查该行数据的版本号和 Read View：

如果该行数据的版本号小于 Read View 的创建事务 ID，则表示该版本的数据在 Read View 创建之前就已经存在，可以安全地读取。
如果该行数据的版本号大于 Read View 的创建事务 ID，则表示该版本的数据在 Read View 创建之后才被修改，需要从 Undo Log 中查找更旧的版本。
如果该行数据的版本号在活跃事务列表中，则表示该版本的数据正在被其他事务修改，需要根据隔离级别进行处理 (例如，等待或读取旧版本)。

10. 常见问题与注意事项

Undo Log 空间不足: 如果 Undo Log 空间不足，事务可能会失败。因此，需要合理配置 innodb_undo_tablespaces 和 innodb_max_undo_log_size 参数，并定期监控 Undo Log 的使用情况。
长事务: 长事务会占用大量的 Undo Log 空间，并可能导致性能问题。应该尽量避免长事务，并将其拆分为多个小事务。
MVCC 版本链过长: 如果频繁地更新同一行数据，可能会导致 Undo Log 版本链过长，影响查询性能。可以考虑优化数据模型，减少不必要的更新。

实际应用中的建议

合理配置Undo Log相关参数： 根据业务的读写比例、数据量大小以及事务的复杂度，合理配置innodb_undo_tablespaces、innodb_max_undo_log_size等参数。
监控Undo Log空间使用情况： 建议定期监控Undo Log空间的使用情况，避免空间不足导致事务失败。可以使用SHOW GLOBAL STATUS LIKE 'Innodb_undo%';命令查看相关状态。
避免长事务： 长事务会占用大量的Undo Log资源，降低数据库的并发性能。应尽量避免长事务，并将其拆分为多个小事务。
优化SQL语句： 优化SQL语句可以减少不必要的更新操作，从而减少Undo Log的生成。
定期维护Undo Log： 可以通过OPTIMIZE TABLE命令或类似工具来清理不再需要的Undo Log，减少空间占用。

深入理解Undo Log的意义

理解InnoDB的Undo Log机制对于数据库管理员和开发人员都至关重要。它可以帮助你更好地理解InnoDB的事务处理、MVCC和崩溃恢复机制，从而更好地优化数据库性能、排查问题和设计应用程序。

以上就是关于 InnoDB Undo Log 的物理存储和回滚段管理的详细讲解。希望能够帮助大家更深入地理解 InnoDB 的内部机制。

Undo Log的意义：持久性与并发控制

Undo Log 在 InnoDB 中扮演着至关重要的角色，它不仅保证了事务的原子性和持久性，还为并发控制提供了基础。通过深入理解 Undo Log 的物理存储和管理方式，我们可以更好地优化数据库性能和构建更可靠的应用程序。