MySQL的`InnoDB`的`Doublewrite Buffer`：如何保证页面的原子写入？ - 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，下面我们开始关于InnoDB Doublewrite Buffer的深入探讨。

讲座：InnoDB Doublewrite Buffer – 保障数据页原子写入的机制

大家好，今天我们要深入探讨InnoDB存储引擎中一个至关重要的组件：Doublewrite Buffer。它在保证数据页原子写入方面起着至关重要的作用，尤其是在数据库系统面临突然掉电等意外情况时。

1. 背景：页写入的挑战

InnoDB存储引擎以页（Page）为单位管理数据，通常情况下，一个页的大小为16KB。操作系统在将这些页写入磁盘时，并不能保证原子性。这意味着，如果数据库服务器在写页的过程中突然崩溃（例如，断电），可能会出现以下情况：

Partial Write（部分写入）: 只有部分数据写入了磁盘，导致数据页损坏。这种损坏会导致数据不一致，甚至数据库崩溃。

考虑一个简单的例子：假设我们需要更新一个包含用户信息的页。更新操作涉及修改多个字段（例如，姓名、地址、电话号码）。如果写操作进行到一半时发生崩溃，可能只有部分字段被更新，而其他字段仍然是旧的值。这会产生逻辑上的不一致，甚至可能导致程序错误。

2. Doublewrite Buffer 的作用

Doublewrite Buffer 的核心作用是充当一个中间缓冲区，用于在数据页写入实际的数据文件之前，先将数据页完整地写入该缓冲区。它位于共享表空间（system tablespace）中，占用连续的存储空间。

具体来说，当InnoDB需要将一个脏页（Dirty Page，即已被修改但尚未写入磁盘的页）刷新到磁盘时，它会执行以下步骤：

将脏页复制到 Doublewrite Buffer: 首先，将整个脏页从Buffer Pool复制到Doublewrite Buffer。这是一个顺序写入操作，速度很快。
将 Doublewrite Buffer 中的页写入磁盘: 然后，InnoDB将Doublewrite Buffer中的页写入实际的数据文件（.ibd文件）中的相应位置。这也是一个顺序写入操作。
如果写入成功，则更新页的LSN(Log Sequence Number)。
如果发生崩溃恢复: 如果在步骤2过程中发生崩溃，InnoDB在重启后会检查Doublewrite Buffer。如果发现Doublewrite Buffer中存在未完成的页，它会使用Doublewrite Buffer中的副本来恢复损坏的数据页。

3. Doublewrite Buffer 的工作流程

为了更清晰地理解Doublewrite Buffer的工作流程，我们用一个流程图来描述：

+---------------------+     +-----------------------+     +-----------------------+     +---------------------+
|   Buffer Pool       | --> |  Doublewrite Buffer   | --> |    Data File (.ibd)   | --> |   Disk/SSD          |
| (脏页 - Dirty Page) |     | (顺序写入完整页)     |     | (随机写入，可能部分)    |     |                     |
+---------------------+     +-----------------------+     +-----------------------+     +---------------------+

代码示例 (伪代码):

def write_page_to_disk(page):
    """
    模拟InnoDB写页到磁盘的过程
    """
    # 1. 将脏页复制到 Doublewrite Buffer
    copy_page_to_doublewrite_buffer(page)

    # 2. 将 Doublewrite Buffer 中的页写入磁盘
    try:
        write_page_from_doublewrite_buffer_to_datafile(page)
        # 3. 写入成功，更新页的LSN
        update_page_lsn(page)
    except Exception as e:
        print(f"写入数据文件失败: {e}")
        # 如果写入失败，则需要从 Doublewrite Buffer 恢复

def copy_page_to_doublewrite_buffer(page):
    """
    将页复制到 Doublewrite Buffer (模拟)
    """
    # 假设 Doublewrite Buffer 是一个内存区域
    doublewrite_buffer[page.page_number] = page.data
    print(f"Page {page.page_number} copied to Doublewrite Buffer")

def write_page_from_doublewrite_buffer_to_datafile(page):
    """
    将 Doublewrite Buffer 中的页写入数据文件 (模拟)
    """
    # 模拟写入数据文件，可能发生崩溃
    if random.random() < CRASH_PROBABILITY:  # CRASH_PROBABILITY 是崩溃的概率
        raise Exception("模拟写入数据文件时发生崩溃")

    # 模拟写入数据文件
    data_file[page.page_number] = doublewrite_buffer[page.page_number]
    print(f"Page {page.page_number} written to data file")

def update_page_lsn(page):
    """
    更新页的LSN (模拟)
    """
    page.lsn = current_lsn()  # 假设 current_lsn() 返回当前LSN
    print(f"Page {page.page_number} LSN updated to {page.lsn}")

def recover_page_from_doublewrite_buffer(page):
    """
    从 Doublewrite Buffer 恢复页 (模拟)
    """
    if page.page_number in doublewrite_buffer:
        page.data = doublewrite_buffer[page.page_number]
        print(f"Page {page.page_number} recovered from Doublewrite Buffer")
    else:
        print(f"Page {page.page_number} not found in Doublewrite Buffer")

4. 崩溃恢复过程

当数据库服务器崩溃重启后，InnoDB会执行以下步骤来恢复数据：

扫描Doublewrite Buffer: InnoDB会扫描共享表空间中的Doublewrite Buffer，查找可能存在的未完成的页。
检查数据页的完整性: 对于Doublewrite Buffer中找到的每个页，InnoDB会检查其对应的磁盘数据页的完整性。
如果数据页损坏，则从Doublewrite Buffer恢复: 如果磁盘数据页损坏（例如，校验和错误），InnoDB会将Doublewrite Buffer中的副本复制到磁盘数据页，从而恢复数据。
应用Redo Log: 接下来，InnoDB会应用Redo Log中的记录，以保证数据的一致性。

5. 为什么 Doublewrite Buffer 能保证原子性？

Doublewrite Buffer 的关键在于，它利用了顺序写入的特性。顺序写入相比于随机写入，更不容易出现部分写入的问题。即使在写入Doublewrite Buffer的过程中发生崩溃，通常也能保证Doublewrite Buffer中的数据页是完整的。这是因为顺序写入通常是由操作系统进行缓冲的，在操作系统层面上会尽量保证写入的原子性。

此外，在将Doublewrite Buffer中的数据写入数据文件时，即使发生了崩溃，也只是数据文件中的某个页可能损坏。InnoDB可以通过检查Doublewrite Buffer中的副本来恢复该页，从而避免了数据的不一致。

6. Doublewrite Buffer 的性能影响

虽然Doublewrite Buffer可以提高数据的可靠性，但它也会带来一定的性能开销。

额外的I/O操作: 每次写页都需要进行两次I/O操作（一次写入Doublewrite Buffer，一次写入数据文件）。
空间占用: Doublewrite Buffer需要占用一定的磁盘空间。

然而，在大多数情况下，Doublewrite Buffer的性能开销是可以接受的。这是因为：

顺序写入优化: 写入Doublewrite Buffer是顺序写入，速度较快。
异步写入: InnoDB通常会异步地将脏页刷新到磁盘，从而减少对应用程序的影响。

可以通过配置参数innodb_doublewrite来启用或禁用Doublewrite Buffer。但是，除非对数据可靠性要求不高，否则通常建议启用Doublewrite Buffer。

7. Doublewrite Buffer 的配置

可以通过以下参数来配置 Doublewrite Buffer：

参数名称	默认值	描述
innodb_doublewrite	ON	是否启用Doublewrite Buffer。
innodb_doublewrite_dir		设置Doublewrite Buffer的存储目录，如果未设置，则使用系统表空间。
innodb_doublewrite_files	2	Doublewrite Buffer使用的文件数量，InnoDB 5.7及更高版本支持设置为2或更大的值，以利用多个磁盘进行并发写入，从而提高性能。

8. 替代方案：具有原子写入能力的存储设备

如果使用的存储设备本身就具有原子写入的能力（例如，某些类型的固态硬盘），那么可以考虑禁用Doublewrite Buffer。但是，需要仔细评估存储设备的可靠性，并确保其能够真正保证原子写入。

9. Doublewrite Buffer与Redo Log的关系

Doublewrite Buffer和Redo Log是InnoDB中两个重要的故障恢复机制，它们共同保证了数据的一致性。

Doublewrite Buffer: 保证了单个数据页写入的原子性，防止了partial write导致的数据损坏。
Redo Log: 记录了对数据页的修改操作，用于在崩溃恢复时重做未完成的事务，保证了事务的持久性。

简单来说，Doublewrite Buffer确保了页的完整性，而Redo Log保证了事务的完整性。它们是互补的，共同构建了InnoDB强大的故障恢复能力。

10. Doublewrite Buffer的源码分析（简要）

虽然深入分析InnoDB的源码超出本次讲座的范围，但我们可以简要了解一下Doublewrite Buffer相关的关键代码位置：

storage/innobase/buf/buf0dblwr.cc: 包含Doublewrite Buffer相关的核心代码。
storage/innobase/buf/buf0flush.cc: 包含脏页刷新相关的代码，其中会调用Doublewrite Buffer的功能。

通过阅读这些源码，可以更深入地了解Doublewrite Buffer的实现细节。

Doublewrite Buffer的价值和未来发展

Doublewrite Buffer作为InnoDB存储引擎的关键组件，在保证数据页原子写入方面发挥着重要作用。它通过牺牲一定的性能，换取了更高的数据可靠性，这在大多数情况下是值得的。

未来，随着存储技术的不断发展，可能会出现更多具有原子写入能力的存储设备，从而减少对Doublewrite Buffer的依赖。但是，在可预见的未来，Doublewrite Buffer仍然是InnoDB存储引擎中不可或缺的一部分。它和Redo Log一起，构成了InnoDB的坚实基础，保证了数据库的稳定性和可靠性。理解Doublewrite Buffer的工作原理，对于优化数据库性能、排查故障具有重要意义。

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