深入理解MySQL的Undo Log：在事务回滚、MVCC快照生成与purge线程在崩溃恢复中的内部原理 - 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

深入理解MySQL的Undo Log：事务回滚、MVCC快照生成与purge线程

大家好，今天我们来深入探讨MySQL中至关重要的组件——Undo Log。它在事务管理、MVCC（Multi-Version Concurrency Control）以及崩溃恢复中扮演着核心角色。我们将从Undo Log的基本概念出发，逐步剖析其在不同场景下的具体运作方式，并结合代码示例来加深理解。

一、Undo Log的基本概念与类型

Undo Log，顾名思义，是用于撤销（Undo）操作的日志。更准确地说，它记录了事务对数据修改之前的状态。当事务需要回滚时，MySQL可以利用Undo Log将数据恢复到修改前的状态，从而保证事务的原子性。

Undo Log主要分为两种类型：

Insert Undo Log： 用于记录INSERT操作产生的Undo Log。因为INSERT操作是新增数据，回滚时只需将新增的记录删除即可。Insert Undo Log通常比较简单。
Update Undo Log： 用于记录UPDATE和DELETE操作产生的Undo Log。UPDATE操作需要记录修改前的值，以便回滚时恢复；DELETE操作需要记录被删除的记录的完整信息，以便回滚时重新插入。

Undo Log的存储位置：

MySQL 5.6及之前版本：Undo Log存储在共享表空间（ibdata1）中。
MySQL 5.7及之后版本：Undo Log可以配置为独立表空间，通过innodb_undo_tablespaces参数来控制Undo Log表空间的数量。独立表空间的好处是方便管理，可以独立进行truncate操作释放空间。

二、Undo Log在事务回滚中的作用

事务回滚是事务ACID特性（原子性、一致性、隔离性、持久性）中原子性的重要保障。当事务执行过程中发生错误或用户主动发起回滚时，MySQL需要将事务对数据库的修改全部撤销。Undo Log在这个过程中发挥着关键作用。

假设我们有如下的users表：

CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(255),
    age INT
);

INSERT INTO users (id, name, age) VALUES (1, 'Alice', 25);

现在，我们执行以下事务：

START TRANSACTION;
UPDATE users SET age = 26 WHERE id = 1;
-- 模拟一个错误，导致事务需要回滚
SELECT * FROM non_existent_table;
COMMIT; -- 这句不会执行

由于SELECT * FROM non_existent_table语句会导致错误，事务会回滚。以下是Undo Log在回滚过程中的作用：

记录修改前的值： 在执行UPDATE users SET age = 26 WHERE id = 1语句之前，MySQL会将id = 1的记录的age字段的原始值（25）记录到Update Undo Log中。
发生错误，触发回滚： 当SELECT * FROM non_existent_table语句执行失败时，MySQL会启动回滚流程。
应用Undo Log进行恢复： MySQL会读取与该事务关联的Update Undo Log，找到id = 1的记录的age字段的原始值（25），然后将users表中id = 1的记录的age字段的值恢复为25。
删除Undo Log： 回滚完成后，与该事务相关的Undo Log会被标记为可以覆盖（purge）。

以下是一个简化的伪代码，展示了回滚过程：

class UndoLog:
    def __init__(self, table_name, row_id, field_name, old_value):
        self.table_name = table_name
        self.row_id = row_id
        self.field_name = field_name
        self.old_value = old_value

def rollback_transaction(transaction_id):
    undo_logs = get_undo_logs_for_transaction(transaction_id)  # 从Undo Log存储中获取该事务的所有Undo Log

    for undo_log in undo_logs:
        table_name = undo_log.table_name
        row_id = undo_log.row_id
        field_name = undo_log.field_name
        old_value = undo_log.old_value

        # 执行恢复操作
        update_table(table_name, row_id, field_name, old_value)

    # 删除或标记Undo Log为可覆盖
    mark_undo_logs_as_purgeable(transaction_id)

def update_table(table_name, row_id, field_name, new_value):
    # 实际的数据库更新操作
    # 这里只是一个示例，实际实现会更复杂
    print(f"Restoring table {table_name}, row {row_id}, field {field_name} to value {new_value}")

def get_undo_logs_for_transaction(transaction_id):
    # 模拟从Undo Log存储中获取Undo Log
    # 实际实现会从数据库或者文件中读取
    if transaction_id == 123: # 假设transaction_id为123的事务需要回滚
        return [
            UndoLog("users", 1, "age", 25)
        ]
    else:
        return []

def mark_undo_logs_as_purgeable(transaction_id):
    print(f"Marking Undo Logs for transaction {transaction_id} as purgeable")

# 模拟事务回滚
rollback_transaction(123)

这个伪代码展示了Undo Log如何用于将数据恢复到事务开始前的状态。实际的MySQL实现要复杂得多，涉及到锁管理、并发控制等。

三、Undo Log在MVCC中的作用

MVCC是一种并发控制机制，允许数据库在同一时刻存在多个版本的数据。通过MVCC，可以提高数据库的并发性能，避免读写冲突。Undo Log在MVCC中扮演着生成和维护数据快照的关键角色。

当一个事务需要读取数据时，它会根据一定的规则选择一个合适的版本的数据进行读取。这个版本的数据被称为“快照”。而生成这些快照的关键，就在于Undo Log。

假设我们有以下场景：

事务A开始，读取users表中id = 1的记录，此时age为25。
事务B开始，更新users表中id = 1的记录，将age修改为26。
事务B提交。
事务A继续执行，再次读取users表中id = 1的记录。

在MVCC的机制下，事务A第一次读取到的age应该是25，第二次读取到的age也应该是25。这是因为事务A在开始时创建了一个快照，它只能看到该快照对应的数据版本。

Undo Log是如何帮助实现这一点的呢？

事务B更新数据： 在事务B执行UPDATE语句时，MySQL会将id = 1的记录的原始值（25）记录到Update Undo Log中。同时，MySQL会将users表中id = 1的记录的age字段更新为26。
构建快照： 当事务A需要读取数据时，MySQL会根据事务A的事务ID（或者其他版本信息）来确定应该读取哪个版本的数据。如果事务A需要读取的数据的版本早于事务B的提交时间，那么MySQL会利用Undo Log来还原数据到之前的版本。
读取旧版本数据： MySQL会找到与users表中id = 1的记录相关的Undo Log，并从中找到age字段的原始值（25）。然后，MySQL会将这个原始值返回给事务A，而不是返回当前的age值（26）。

以下是一个简化的伪代码，展示了MVCC如何利用Undo Log来读取旧版本的数据：

def get_data_with_mvcc(table_name, row_id, transaction_id):
    # 获取当前最新的数据
    current_data = get_current_data(table_name, row_id)

    # 获取修改该数据的最后一个事务的ID
    last_modified_transaction_id = get_last_modified_transaction_id(table_name, row_id)

    # 如果该数据没有被修改过，或者修改它的事务ID小于当前事务ID，则直接返回当前数据
    if last_modified_transaction_id is None or last_modified_transaction_id < transaction_id:
        return current_data

    # 否则，需要利用Undo Log来还原到之前的版本
    undo_logs = get_undo_logs_for_row(table_name, row_id)

    # 找到最接近但小于当前事务ID的Undo Log
    relevant_undo_log = None
    for undo_log in undo_logs:
        if undo_log.transaction_id < transaction_id:
            if relevant_undo_log is None or undo_log.transaction_id > relevant_undo_log.transaction_id:
                relevant_undo_log = undo_log

    # 如果找到了相关的Undo Log，则利用它来还原数据
    if relevant_undo_log:
        # 根据Undo Log还原数据
        old_value = relevant_undo_log.old_value
        return old_value
    else:
        # 如果没有找到相关的Undo Log，则说明该数据在当前事务开始之前就已经存在，直接返回当前数据
        return current_data

def get_current_data(table_name, row_id):
    # 模拟从数据库中获取当前最新的数据
    if table_name == "users" and row_id == 1:
        return {"id": 1, "name": "Alice", "age": 26}  # 当前age为26
    else:
        return None

def get_last_modified_transaction_id(table_name, row_id):
    # 模拟获取修改该数据的最后一个事务的ID
    if table_name == "users" and row_id == 1:
        return 124  # 假设事务ID为124的事务修改了该数据
    else:
        return None

class UndoLog:
    def __init__(self, table_name, row_id, field_name, old_value, transaction_id):
        self.table_name = table_name
        self.row_id = row_id
        self.field_name = field_name
        self.old_value = old_value
        self.transaction_id = transaction_id

def get_undo_logs_for_row(table_name, row_id):
    # 模拟从Undo Log存储中获取Undo Log
    if table_name == "users" and row_id == 1:
        return [
            UndoLog("users", 1, "age", 25, 124)  # 假设事务ID为124的事务修改了该数据，原始值为25
        ]
    else:
        return []

# 模拟事务A读取数据，事务A的ID为123
data = get_data_with_mvcc("users", 1, 123)
print(f"Data read by transaction A: {data}") # 输出：Data read by transaction A: 25

这个伪代码展示了MVCC如何利用Undo Log来构建数据快照，并允许不同的事务读取到不同版本的数据。

四、Undo Log与Purge线程

随着时间的推移，Undo Log会不断增长，占用大量的存储空间。为了避免Undo Log无限增长，MySQL引入了Purge线程来清理不再需要的Undo Log。

Purge线程的主要任务是：

扫描Undo Log： Purge线程会定期扫描Undo Log，查找可以被清理的Undo Log。
判断Undo Log是否可以清理： 判断Undo Log是否可以清理的依据是：是否还有活跃的事务需要用到该Undo Log。如果没有任何活跃的事务需要用到该Undo Log，那么该Undo Log就可以被清理。这通常与该Undo Log对应的事务ID是否小于当前最小活跃事务ID（Oldest Active Transaction ID）相关。
清理Undo Log： 如果Undo Log可以被清理，那么Purge线程会将该Undo Log标记为可以覆盖，或者直接删除该Undo Log。

以下是一个简化的伪代码，展示了Purge线程的工作流程：

def purge_undo_logs():
    # 获取当前最小活跃事务ID
    oldest_active_transaction_id = get_oldest_active_transaction_id()

    # 扫描Undo Log
    undo_logs = get_all_undo_logs()

    for undo_log in undo_logs:
        # 判断Undo Log是否可以清理
        if undo_log.transaction_id < oldest_active_transaction_id:
            # 清理Undo Log
            delete_undo_log(undo_log)
        else:
            # 标记Undo Log为可覆盖
            mark_undo_log_as_purgeable(undo_log)

def get_oldest_active_transaction_id():
    # 模拟获取当前最小活跃事务ID
    # 实际实现需要从事务管理模块获取
    return 125  # 假设当前最小活跃事务ID为125

def get_all_undo_logs():
    # 模拟从Undo Log存储中获取所有Undo Log
    return [
        UndoLog("users", 1, "age", 25, 124),  # 事务ID为124的Undo Log
        UndoLog("orders", 1, "status", "pending", 126)   # 事务ID为126的Undo Log
    ]

def delete_undo_log(undo_log):
    # 实际的删除Undo Log操作
    print(f"Deleting Undo Log: {undo_log}")

def mark_undo_log_as_purgeable(undo_log):
    # 实际的标记Undo Log为可覆盖操作
    print(f"Marking Undo Log as purgeable: {undo_log}")

# 模拟Purge线程运行
purge_undo_logs()

在这个例子中，事务ID为124的Undo Log会被删除，而事务ID为126的Undo Log会被标记为可覆盖，因为当前最小活跃事务ID为125。

五、Undo Log在崩溃恢复中的作用

如果MySQL服务器在事务执行过程中发生崩溃，那么MySQL需要利用Undo Log和Redo Log来进行崩溃恢复，以保证数据的一致性。

崩溃恢复的过程大致如下：

扫描Redo Log： MySQL会扫描Redo Log，找到所有已经提交但尚未完全写入磁盘的事务。
重做已提交的事务： MySQL会根据Redo Log中的信息，将这些事务的修改重做一遍，以保证这些事务的修改被持久化。
扫描Undo Log： MySQL会扫描Undo Log，找到所有尚未提交的事务。
回滚未提交的事务： MySQL会根据Undo Log中的信息，将这些事务的修改回滚，以保证这些事务的原子性。

通过Redo Log和Undo Log的协同作用，MySQL可以保证在崩溃发生后，数据库能够恢复到一个一致的状态。

六、Undo Log的总结概括

Undo Log是MySQL中一个非常重要的组件，它在事务回滚、MVCC以及崩溃恢复中都发挥着关键作用。理解Undo Log的工作原理，有助于我们更好地理解MySQL的事务管理和并发控制机制。

Undo Log记录修改前的数据状态，实现原子性和MVCC，Purge线程负责清理无用的Undo Log，在崩溃恢复中，Undo Log用于回滚未完成的事务。