深入理解`Innodb`的`redo log`：其`wal`（`write-ahead logging`）机制是如何工作的？ - 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 Redo Log：WAL机制深度剖析

大家好，今天我们来深入探讨InnoDB的redo log，以及它所采用的WAL（Write-Ahead Logging）机制。redo log是保证InnoDB事务持久性的关键组件，理解其工作原理对于优化数据库性能至关重要。

事务的ACID特性与持久性挑战

在深入redo log之前，让我们简单回顾一下事务的ACID特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability）。其中，持久性是指一旦事务提交，其所做的修改必须永久保存在数据库中，即使发生系统崩溃或断电。

传统的数据库系统，如果每次事务提交都直接将修改后的数据写入磁盘上的数据文件，效率会非常低。原因在于：

随机IO： 数据库的数据分布通常不是连续的，修改数据可能需要进行大量的随机IO操作，而磁盘的随机IO性能远低于顺序IO。
刷新策略： 频繁地将脏页（内存中修改过但尚未写入磁盘的数据页）刷新到磁盘会带来额外的开销。

为了解决这些问题，InnoDB引入了redo log。

Redo Log 的作用与基本概念

Redo log本质上是一种基于磁盘的、用于记录事务对数据所做修改的日志。它记录的是数据页的物理修改，而不是逻辑修改（例如，"将id=1的行的name字段更新为’new name’" 是逻辑修改，而 "将数据页X的offset Y处的值修改为Z" 是物理修改）。

redo log 的关键作用在于：

崩溃恢复： 当数据库发生崩溃时，InnoDB可以使用redo log来恢复未完成的事务，确保数据的一致性和持久性。
优化IO性能： 通过将修改先写入redo log，然后再异步地将脏页刷新到磁盘，可以将随机IO转化为顺序IO，并减少磁盘的写入次数。

redo log 的基本概念：

Log Sequence Number (LSN): LSN是一个单调递增的序列号，用于标识redo log中的每个记录。每个数据页、每个redo log记录都关联着一个LSN。
Redo Log Buffer: redo log buffer是位于内存中的一块缓冲区，用于临时存放redo log记录。
Redo Log File: redo log file是位于磁盘上的文件，用于持久化存储redo log记录。InnoDB通常配置多个redo log文件进行循环写入。
Checkpoint: Checkpoint是一个时间点，在该时间点之前的所有数据页修改都已经刷新到磁盘。Checkpoint用于缩短数据库恢复的时间。

WAL (Write-Ahead Logging) 机制

WAL机制是redo log的核心思想，其基本原则是：在修改数据页之前，必须先将相应的redo log记录写入磁盘。这保证了即使在写入数据页之前发生崩溃，也可以通过redo log进行恢复。

WAL机制的工作流程：

事务开始： 事务开始后，对数据的修改首先会写入到redo log buffer中。
redo log 写入： 在事务提交之前，InnoDB会将redo log buffer中的redo log记录刷新到磁盘上的redo log file中，这个过程称为redo log flush。这个刷新操作通常是顺序IO，性能很高。
数据页修改： 在redo log记录成功写入磁盘后，InnoDB就可以异步地将修改后的数据页（脏页）刷新到磁盘上的数据文件。
事务提交： 当redo log记录成功写入磁盘，并且事务被标记为已提交，事务的持久性就得到了保证。

代码示例（伪代码）：

def update_data(page_id, offset, new_value):
  """
  更新数据页的伪代码
  """
  # 1. 获取数据页锁 (假设已经处理)

  # 2. 构建redo log记录
  lsn = generate_lsn() # 生成新的LSN
  redo_log_record = {
      "lsn": lsn,
      "page_id": page_id,
      "offset": offset,
      "old_value": get_old_value(page_id, offset),
      "new_value": new_value
  }

  # 3. 将redo log记录写入redo log buffer
  write_to_redo_log_buffer(redo_log_record)

  # 4. 强制将redo log buffer刷新到磁盘 (redo log file)
  flush_redo_log_buffer_to_disk()

  # 5. 修改内存中的数据页
  update_data_page_in_memory(page_id, offset, new_value)

  # 6. 更新数据页的LSN
  update_page_lsn(page_id, lsn)

  # 7. 释放数据页锁 (假设已经处理)

def commit_transaction():
  """
  提交事务的伪代码
  """
  # 1. 强制将redo log buffer刷新到磁盘 (redo log file) 再次确保
  flush_redo_log_buffer_to_disk()

  # 2. 标记事务为已提交 (例如，在事务日志中记录)

  # 3. 后台线程异步将脏页刷新到磁盘
  #    (checkpoint机制会定期执行这个操作)

Redo Log 的格式

redo log记录通常包含以下信息：

LSN (Log Sequence Number): 唯一标识redo log记录的序列号。
事务ID: 标识该redo log记录属于哪个事务。
数据页ID: 标识被修改的数据页。
Offset: 标识被修改的数据在数据页中的偏移量。
Length: 标识被修改的数据的长度。
Old Value: 被修改数据的原始值 (可选，取决于redo log的类型)。
New Value: 被修改数据的新值。

InnoDB 支持多种类型的redo log记录，例如：

物理redo log: 记录数据页的物理修改，例如，"将数据页X的offset Y处的值修改为Z"。
逻辑redo log: 记录逻辑操作，例如，"插入一行数据到表T"。 (在某些情况下，InnoDB会使用逻辑redo log，例如，对于某些索引操作)。

Redo Log 的刷新策略

InnoDB提供了多种redo log的刷新策略，由参数innodb_flush_log_at_trx_commit控制：

值	描述	持久性	性能
0	事务提交时，不立即将redo log buffer刷新到磁盘，而是依赖后台线程定期刷新。	较弱	较高
1	事务提交时，立即将redo log buffer刷新到磁盘。这是默认值，也是最安全的设置。	最强	中等
2	事务提交时，将redo log buffer写入到操作系统的page cache，然后由操作系统负责将数据刷新到磁盘。即使数据库崩溃，但如果操作系统没有崩溃，仍然可以保证事务的持久性。但如果操作系统也崩溃，则可能丢失数据。	较强	较高

innodb_flush_log_at_trx_commit = 1 (默认): 这是最安全的设置，可以保证最高的持久性。但由于每次事务提交都需要进行磁盘IO，性能相对较低。
innodb_flush_log_at_trx_commit = 0: 性能最高，但持久性最弱。如果数据库崩溃，可能会丢失未刷新到磁盘的redo log记录，导致数据丢失。
innodb_flush_log_at_trx_commit = 2: 在持久性和性能之间取得了一个平衡。但需要注意，如果操作系统也崩溃，仍然可能丢失数据。

在生产环境中，通常建议使用默认值innodb_flush_log_at_trx_commit = 1，以保证数据的安全性。只有在对数据安全性要求不高，且对性能要求非常高的场景下，才考虑使用其他值。

Checkpoint 机制

Checkpoint 机制是InnoDB中一个重要的后台操作，用于将脏页刷新到磁盘，并更新checkpoint LSN。

Checkpoint 的作用：

缩短恢复时间： 在数据库崩溃恢复时，只需要从checkpoint LSN开始扫描redo log，而不需要扫描整个redo log文件。
回收redo log空间： 当checkpoint LSN之前的redo log记录对应的脏页已经刷新到磁盘后，这些redo log记录就可以被回收，从而释放redo log的空间。

Checkpoint 的类型：

Sharp Checkpoint: 暂停所有事务，将所有脏页刷新到磁盘。这种checkpoint方式会阻塞数据库的正常运行，因此不常用。
Fuzzy Checkpoint: 允许事务继续执行，同时异步地将脏页刷新到磁盘。这是InnoDB默认使用的checkpoint方式。

Fuzzy Checkpoint 的工作流程：

选择需要刷新的脏页： InnoDB会根据一定的策略选择需要刷新的脏页，例如，根据脏页的年龄、修改频率等。
异步刷新脏页： InnoDB会启动一个后台线程，异步地将选定的脏页刷新到磁盘。
更新checkpoint LSN： 当所有选定的脏页都刷新到磁盘后，InnoDB会更新checkpoint LSN，并记录到redo log中。

崩溃恢复过程

当数据库发生崩溃时，InnoDB会使用redo log进行恢复，以保证数据的一致性和持久性。

崩溃恢复过程：

扫描redo log： InnoDB会从checkpoint LSN开始扫描redo log，直到redo log的末尾。
应用redo log： 对于每个redo log记录，InnoDB会检查其对应的数据页是否已经刷新到磁盘。
- 如果数据页尚未刷新到磁盘，则InnoDB会根据redo log记录的内容，将数据页恢复到崩溃前的状态。
- 如果数据页已经刷新到磁盘，则InnoDB会跳过该redo log记录。
回滚未提交的事务： 对于在崩溃时尚未提交的事务，InnoDB会将其回滚，撤销其所做的修改。

代码示例（伪代码）：

def recover_from_crash():
  """
  数据库崩溃恢复的伪代码
  """
  # 1. 获取checkpoint LSN
  checkpoint_lsn = get_checkpoint_lsn()

  # 2. 从checkpoint LSN开始扫描redo log
  for redo_log_record in scan_redo_log(checkpoint_lsn):
      page_id = redo_log_record["page_id"]
      offset = redo_log_record["offset"]
      new_value = redo_log_record["new_value"]
      lsn = redo_log_record["lsn"]

      # 3. 检查数据页是否已经刷新到磁盘
      if page_lsn_on_disk(page_id) < lsn: # 数据页的LSN小于redo log的LSN，说明数据页未刷新
          # 4. 应用redo log
          apply_redo_log(page_id, offset, new_value)
          update_page_lsn_on_disk(page_id, lsn) # 更新磁盘上的数据页的LSN

  # 5. 回滚未提交的事务
  for transaction in get_uncommitted_transactions():
      rollback_transaction(transaction)

Redo Log 相关配置参数

以下是一些与redo log相关的重要的配置参数：

参数	描述	默认值
`innodb_log_file_size`	每个redo log文件的大小。	48MB
`innodb_log_files_in_group`	redo log文件的数量。InnoDB以循环方式写入这些文件。	2
`innodb_flush_log_at_trx_commit`	redo log的刷新策略。	1
`innodb_flush_log_at_timeout`	redo log buffer刷新的时间间隔（秒）。	1
`innodb_log_buffer_size`	redo log buffer的大小。	16MB
`innodb_max_dirty_pages_pct`	允许的脏页比例。当脏页比例超过这个值时，InnoDB会加速脏页的刷新。	75
`innodb_max_dirty_pages_pct_lwm`	低水位脏页比例。当脏页比例低于这个值时，InnoDB会减缓脏页的刷新。	0

参数调优：

innodb_log_file_size：增加innodb_log_file_size 可以减少checkpoint的频率，提高性能。但需要注意的是，redo log文件越大，崩溃恢复的时间也会越长。
innodb_log_files_in_group：增加innodb_log_files_in_group 可以提高redo log的写入性能，但也会增加磁盘空间的占用。
innodb_log_buffer_size：适当增加innodb_log_buffer_size 可以减少redo log刷新的频率，提高性能。

Redo Log 总结

我们详细探讨了InnoDB的redo log及其WAL机制。redo log通过记录数据页的物理修改，保证了事务的持久性。WAL机制要求先将redo log写入磁盘，然后再修改数据页，确保即使发生崩溃，也可以通过redo log进行恢复。Checkpoint机制用于缩短恢复时间，并回收redo log空间。理解这些概念对于优化数据库性能至关重要，通过合理的配置redo log相关参数，可以提高数据库的吞吐量和响应速度。

Redo Log、Undo Log和Binlog的区别

Redo Log (InnoDB): 用于保证事务的持久性，记录数据页的物理修改，在崩溃恢复时用于重做未完成的事务。
Undo Log (InnoDB): 用于保证事务的原子性，记录事务执行前的状态，在事务回滚时用于撤销已做的修改。
Binlog (MySQL Server): 用于记录所有修改数据库的DDL和DML语句，主要用于数据备份和主从复制。

Redo Log 的重要性体现在哪里

Redo log是InnoDB实现ACID事务的关键，它通过Write-Ahead Logging机制，确保了即使在数据库崩溃的情况下，也能保证数据的持久性和一致性。如果没有redo log，数据库将无法可靠地从崩溃中恢复，数据完整性将无法得到保障。

合理配置Redo Log相关参数提升数据库性能

通过调整innodb_log_file_size、innodb_log_files_in_group和innodb_flush_log_at_trx_commit等参数，可以在持久性和性能之间取得平衡。例如，增加innodb_log_file_size可以减少checkpoint频率，提升写入性能，但也会增加恢复时间。根据实际应用场景选择合适的配置，可以显著提升数据库的整体性能。