前言
說到數(shù)據(jù)庫事務,大家腦子里一定很容易蹦出一堆事務的相關知識,如事務的ACID特性,隔離級別,解決的問題(臟讀,不可重復讀,幻讀)等等,但是可能很少有人真正的清楚事務的這些特性又是怎么實現(xiàn)的,為什么要有四個隔離級別。
在之前的文章我們已經(jīng)了解了MySQL中事務的隔離性的實現(xiàn)原理,今天就繼續(xù)來聊一聊MySQL持久性的實現(xiàn)原理。
當然MySQL博大精深,文章疏漏之處在所難免,歡迎批評指正。
說明
MySQL的事務實現(xiàn)邏輯是位于引擎層的,并且不是所有的引擎都支持事務的,下面的說明都是以InnoDB引擎為基準。
InnoDB讀寫數(shù)據(jù)原理
在往下學習之前,我們需要先來了解下InnoDB是怎么來讀寫數(shù)據(jù)的。我們知道數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都是存放在磁盤中的,然后我們也知道磁盤I/O的成本是很大的,如果每次讀寫數(shù)據(jù)都要訪問磁盤,數(shù)據(jù)庫的效率就會非常低。為了解決這個問題,InnoDB提供了 Buffer Pool 作為訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的緩沖。
Buffer Pool 是位于內存的,包含了磁盤中部分數(shù)據(jù)頁的映射。當需要讀取數(shù)據(jù)時,InnoDB會首先嘗試從Buffer Pool中讀取,讀取不到的話就會從磁盤讀取后放入Buffer Pool;當寫入數(shù)據(jù)時,會先寫入Buffer Pool的頁面,并把這樣的頁面標記為dirty,并放到專門的flush list上,這些修改的數(shù)據(jù)頁會在后續(xù)某個時刻被刷新到磁盤中(這一過程稱為刷臟,由其他后臺線程負責) 。如下圖所示:
這樣設計的好處是可以把大量的磁盤I/O轉成內存讀寫,并且把對一個頁面的多次修改merge成一次I/O操作(刷臟一次刷入整個頁面),避免每次讀寫操作都訪問磁盤,從而大大提升了數(shù)據(jù)庫的性能。
持久性定義
持久性是指事務一旦提交,它對數(shù)據(jù)庫的改變就應該是永久性的,接下來的其他操作或故障不應該對本次事務的修改有任何影響。
通過前面的介紹,我們知道InnoDB使用 Buffer Pool 來提高讀寫的性能。但是 Buffer Pool 是在內存的,是易失性的,如果一個事務提交了事務后,MySQL突然宕機,且此時Buffer Pool中修改的數(shù)據(jù)還沒有刷新到磁盤中的話,就會導致數(shù)據(jù)的丟失,事務的持久性就無法保證。
為了解決這個問題,InnoDB引入了 redo log來實現(xiàn)數(shù)據(jù)修改的持久化。當數(shù)據(jù)修改時,InnoDB除了修改Buffer Pool中的數(shù)據(jù),還會在redo log 記錄這次操作,并保證redo log早于對應的頁面落盤(一般在事務提交的時候),也就是常說的WAL。若MySQL突然宕機了且還沒有把數(shù)據(jù)刷回磁盤,重啟后,MySQL會通過已經(jīng)寫入磁盤的redo log來恢復沒有被刷新到磁盤的數(shù)據(jù)頁。
實現(xiàn)原理:redo log
為了提高性能,和數(shù)據(jù)頁類似,redo log 也包括兩部分:一是內存中的日志緩沖(redo log buffer),該部分日志是易失性的;二是磁盤上的重做日志文件(redo log file),該部分日志是持久的。redo log是物理日志,記錄的是數(shù)據(jù)庫中物理頁的情況 。
當數(shù)據(jù)發(fā)生修改時,InnoDB不僅會修改Buffer Pool中的數(shù)據(jù),也會在redo log buffer記錄這次操作;當事務提交時,會對redo log buffer進行刷盤,記錄到redo log file中。如果MySQL宕機,重啟時可以讀取redo log file中的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)庫進行恢復。這樣就不需要每次提交事務都實時進行刷臟了。
寫入過程
注意點:
- 先修改Buffer Pool,后寫 redo log buffer。
- redo日志比數(shù)據(jù)頁先寫回磁盤:事務提交的時候,會把redo log buffer寫入redo log file,寫入成功才算提交成功(也有其他場景觸發(fā)寫入,這里就不展開了),而Buffer Pool的數(shù)據(jù)由后臺線程在后續(xù)某個時刻寫入磁盤。
- 刷臟的時候一定會保證對應的redo log已經(jīng)落盤了,也即是所謂的WAL(預寫式日志),否則會有數(shù)據(jù)丟失的可能性。
好處
事務提交的時候,寫入redo log 相比于直接刷臟的好處主要有三點:
刷臟是隨機I/O,但寫redo log 是順序I/O,順序I/O可比隨機I/O快多了,不需要。
刷臟是以數(shù)據(jù)頁(Page)為單位的,即使一個Page只有一點點修改也要整頁寫入;而redo log中只包含真正被修改的部分,數(shù)據(jù)量非常小,無效IO大大減少。
刷臟的時候可能要刷很多頁的數(shù)據(jù),無法保證原子性(例如只寫了一部分數(shù)據(jù)就失敗了),而redo log buffer 向 redo log file 寫log block,是按512個字節(jié),也就是一個扇區(qū)的大小進行寫入,扇區(qū)是寫入的最小單位,因此可以保證寫入是必定成功的。
先寫redo log還是先修改數(shù)據(jù)
一次DML可能涉及到數(shù)據(jù)的修改和redo log的記錄,那它們的執(zhí)行順序是怎么樣的呢?網(wǎng)上的文章有的說先修改數(shù)據(jù),后記錄redo log,有的說先記錄redo log,后改數(shù)據(jù),那真實的情況是如何呢?
首先通過上面的說明我們知道,redo log buffer在事務提交的時候就會寫入redo log file的,而刷臟則是在后續(xù)的某個時刻,所以可以確定的是先記錄redo log,后修改data page(WAL當然是日志先寫啦)。
那接下來的問題就是先寫redo log buffer還是先修改Buffer Pool了。要了解這個問題,我們先要了解InnoDB中,一次DML的執(zhí)行過程是怎么樣的。一次DML的執(zhí)行過程涉及了數(shù)據(jù)的修改,加鎖,解鎖,redo log的記錄和undo log的記錄等,也是需要保證原子性的,而InnoDB通過MTR(Mini-transactions)來保證一次DML操作的原子性。
首先來看MTR的定義:
An internal phase of InnoDB processing, when making changes at the physical level to internal data structures during DML operations. A Mini-transactions (mtr) has no notion of rollback; multiple Mini-transactionss can occur within a single transaction. Mini-transactionss write information to the redo log that is used during crash recovery. A Mini-transactions can also happen outside the context of a regular transaction, for example during purge processing by background threads. 見 https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/glossary.html
MTR 是一個短原子操作,不能回滾,因為它本身就是原子的。數(shù)據(jù)頁的變更必須通過MTR,MTR 會把DML操作對數(shù)據(jù)頁的修改記錄到 redo log里。
下面來簡單看下MTR的過程:
- MTR初始化的時候會初始化一份 mtr_buf
- 當修改數(shù)據(jù)時,在對內存Buffer Pool中的頁面進行修改的同時,還會生成redo log record,保存在mtr_buf中。
- 在執(zhí)行mtr_commit函數(shù)提交本MTR的時候,會將mtr_buf中的redo log record更新到redo log buffer中,同時將臟頁添加到flush list,供后續(xù)刷臟使用。在log buffer中,每接收到496字節(jié)的log record,就將這組log record包裝一個12字節(jié)的block header和一個4字節(jié)的block tailer,成為一個512字節(jié)的log block,方便刷盤的時候對齊512字節(jié)刷盤。
由此可見,InnoDB是先修改Buffer Pool,后寫redo log buffer的。
恢復數(shù)據(jù)的過程
在任何情況下,InnoDB啟動時都會嘗試執(zhí)行recovery操作。在恢復過程中,需要redo log參與,而如果還開啟了binlog,那就還需要binlog、undo log的參與。因為有可能數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入binlog了,但是redo log還沒有刷盤的時候數(shù)據(jù)庫就奔潰了(事務是InnoDB引擎的特性,修改了數(shù)據(jù)不一定提交了,而binlog是MySQL服務層的特性,修改數(shù)據(jù)就會記錄了),這時候就需要redo log,binlog和undo log三者的參與來判斷是否有還沒提交的事務,未提交的事務進行回滾或者提交操作。
下面來簡單說下僅利用redo log恢復數(shù)據(jù)的過程:
- 啟動InnoDB時,找到最近一次Checkpoint的位置,利用Checkpoint LSN去找大于該LSN的redo log進行日志恢復。
- 如果中間恢復失敗了也沒影響,再次恢復的時候還是從上次保存成功的Checkpoint的位置繼續(xù)恢復。
Recover過程:故障恢復包含三個階段:Analysis,Redo和Undo。Analysis階段的任務主要是利用Checkpoint及Log中的信息確認后續(xù)Redo和Undo階段的操作范圍,通過Log修正Checkpoint中記錄的Dirty Page集合信息,并用其中涉及最小的LSN位置作為下一步Redo的開始位置RedoLSN。同時修正Checkpoint中記錄的活躍事務集合(未提交事務),作為Undo過程的回滾對象;Redo階段從Analysis獲得的RedoLSN出發(fā),重放所有的Log中的Redo內容,注意這里也包含了未Commit事務;最后Undo階段對所有未提交事務利用Undo信息進行回滾,通過Log的PrevLSN可以順序找到事務所有需要回滾的修改。具體見 http://catkang.github.io/2019/01/16/crash-recovery.html
什么是LSN?
LSN也就是log sequence number,也日志的序列號,是一個單調遞增的64位無符號整數(shù)。redo log和數(shù)據(jù)頁都保存著LSN,可以用作數(shù)據(jù)恢復的依據(jù)。LSN更大的表示所引用的日志記錄所描述的變化發(fā)生在更后面。
什么是Checkpoint?
Checkpoint表示一個保存點,在這個點之前的數(shù)據(jù)頁的修改(log LSNCheckpoint LSN)都已經(jīng)寫入磁盤文件了。InnoDB每次刷盤之后都會記錄Checkpoint,把最新的redo log LSN 記錄到Checkpoint LSN 里,方便恢復數(shù)據(jù)的時候作為起始點的判斷。
以上就是詳解MySQL中事務的持久性實現(xiàn)原理的詳細內容,更多關于MySQL 事務的持久性的資料請關注腳本之家其它相關文章!
您可能感興趣的文章:- 詳解MySQL中事務隔離級別的實現(xiàn)原理
- MySQL執(zhí)行事務的語法與流程詳解
- mysql、oracle默認事務隔離級別的說明
- MySQL 事務autocommit自動提交操作
- MySQL 查看事務和鎖情況的常用語句分享
- MySQL 主從同步,事務回滾的實現(xiàn)原理
- MySQL數(shù)據(jù)庫事務與鎖深入分析
- Mysql事務中Update是否會鎖表?
- 深入理解PHP+Mysql分布式事務與解決方案
- MySQL如何實現(xiàn)事務的ACID
- MySQL為什么要避免大事務以及大事務解決的方法