什么是Undo Log？

Undo:意為撤銷或取消，以撤銷操作為目的，返回某個(gè)狀態(tài)的操作。

Undo Log:數(shù)據(jù)庫事務(wù)開始之前，會(huì)將要修改的記錄放到Undo日志里，當(dāng)事務(wù)回滾時(shí)或者數(shù)據(jù)庫崩潰時(shí)，可以利用UndoLog撤銷未提交事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生的影響。

Undo Log是事務(wù)原子性的保證。在事務(wù)中更新數(shù)據(jù)的前置操作其實(shí)是要先寫入一個(gè)Undo Log

如何理解Undo Log

事務(wù)需要保證原子性，也就是事務(wù)中的操作要么全部完成，要么什么也不做。但有時(shí)候事務(wù)執(zhí)行到一半會(huì)出現(xiàn)一些情況，比如：

• 情況一：事務(wù)執(zhí)行過程中可能遇到各種錯(cuò)誤，比如服務(wù)器本身的錯(cuò)誤，操作系統(tǒng)錯(cuò)誤，甚至是突然斷電導(dǎo)致的錯(cuò)誤。
• 情況二：DBA可以在事務(wù)執(zhí)行過程中手動(dòng)輸入ROLLBACK語句結(jié)束當(dāng)前事務(wù)的執(zhí)行。以上情況出現(xiàn)，我們需要把數(shù)據(jù)改回原先的樣子，這個(gè)過程稱之為回滾。

每當(dāng)我們要對(duì)一條記錄做改動(dòng)時(shí)(這里的改動(dòng)可以指INSERT、DELETE、UPDATE)，都需要把回滾時(shí)所需的東西記下來。比如:

• 你插入一條記錄時(shí)，至少要把這條記錄的主鍵值記下來，之后回滾的時(shí)候只需要把這個(gè)主鍵值對(duì)應(yīng)的記錄刪掉就好了。(對(duì)于每個(gè)INSERT, InnoDB存儲(chǔ)引擎會(huì)完成一個(gè)DELETE)
• 你刪除了一條記錄，至少要把這條記錄中的內(nèi)容都記下來，這樣之后回滾時(shí)再把由這些內(nèi)容組成的記錄插入到表中就好了。(對(duì)于每個(gè)DELETE,InnoDB存儲(chǔ)引擎會(huì)執(zhí)行一個(gè)INSERT)
• 你修改了一條記錄，至少要把修改這條記錄前的舊值都記錄下來，這樣之后回滾時(shí)再把這條記錄更新為舊值就好了。(對(duì)于每個(gè)UPDATE，InnoDB存儲(chǔ)引擎會(huì)執(zhí)行一個(gè)相反的UPDATE，將修改前的行放回去)

MySQL把這些為了回滾而記錄的這些內(nèi)容稱之為撤銷日志?或者回滾日志(即Undo Log)。注意，由于查詢操作(SELECT）并不會(huì)修改任何用戶記錄，所以在杳詢操作行時(shí)，并不需要記錄相應(yīng)的Undo日志

此外，Undo Log會(huì)產(chǎn)生Redo Log，也就是Undo Log的產(chǎn)生會(huì)伴隨著Redo Log的產(chǎn)生，這是因?yàn)閁ndo Log也需要持久性的保護(hù)。

Undo Log的功能

• ?提供數(shù)據(jù)回滾-原子性當(dāng)事務(wù)回滾時(shí)或者數(shù)據(jù)庫崩潰時(shí)，可以利用Undo Log來進(jìn)行數(shù)據(jù)回滾。
• 多版本并發(fā)控制(MVCC)-隔離性即在InnoDB存儲(chǔ)引擎中MVCC的實(shí)現(xiàn)是通過Undo Log來完成。當(dāng)用戶讀取一行記錄時(shí)，若該記錄已經(jīng)被其他事務(wù)占用，當(dāng)前事務(wù)可以通過Undo Log讀取之前的行版本信息，以此實(shí)現(xiàn)非鎖定讀取。

Undo Log的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

• 回滾段與Undo頁

InnoDB對(duì)Undo Log的管理采用段的方式，也就是回滾段（rollback segment）?。每個(gè)回滾段記錄了1024 個(gè)Undo Log segment?，而在每個(gè)Undo Log segment段中進(jìn)行Undo頁的申請(qǐng)。

在InnoDB1.1版本?之前（不包括1.1版本），只有一個(gè)rollback segment，因此支持同時(shí)在線的事務(wù)限制為 1024。雖然對(duì)絕大多數(shù)的應(yīng)用來說都已經(jīng)夠用。

從1.1版本開始InnoDB支持最大128個(gè)rollback segment?，故其支持同時(shí)在線的事務(wù)限制提高到了128*1024。

mysql> show variables like 'innodb_undo_logs';
+------------------+-------+
| Variable_name    | Value |
+------------------+-------+
| innodb_undo_logs | 128   |
+------------------+-------+

雖然InnoDB1.1版本支持了128個(gè)rollback segment?，但是這些rollback segment?都存儲(chǔ)于共享表空間ibdata中。從lnnoDB1.2版本開始，可通過參數(shù)對(duì)rollback segment做進(jìn)一步的設(shè)置。這些參數(shù)包括:

innodb_undo_directory:設(shè)置rollback segment文件所在的路徑。這意味著rollback segment可以存放在共享表空間以外的位置，即可以設(shè)置為獨(dú)立表空間。該參數(shù)的默認(rèn)值為“./”，表示當(dāng)前InnoDB存儲(chǔ)引擎的目錄。

innodb_undo_logs:設(shè)置rollback segment的個(gè)數(shù)，默認(rèn)值為128。在InnoDB1.2版本中，該參數(shù)用來替換之前版本的參數(shù)innodb_rollback_segments。

innodb_undo_tablespaces:設(shè)置構(gòu)成rollback segment文件的數(shù)量，這樣rollback segment可以較為平均地分布在多個(gè)文件中。設(shè)置該參數(shù)后，會(huì)在路徑innodb_undo_directory看到undo為前綴的文件，該文件就代表rollback segment文件。

• 回滾段與事務(wù)

1.每個(gè)事務(wù)只會(huì)使用一個(gè)回滾段（rollback segment），一個(gè)回滾段在同一時(shí)刻可能會(huì)服務(wù)于多個(gè)事務(wù)。

2.當(dāng)一個(gè)事務(wù)開始的時(shí)候，會(huì)制定一個(gè)回滾段，在事務(wù)進(jìn)行的過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時(shí)，原始的數(shù)據(jù)會(huì)被復(fù)制到回滾段。

3.在回滾段中，事務(wù)會(huì)不斷填充盤區(qū)，直到事務(wù)結(jié)束或所有的空間被用完。如果當(dāng)前的盤區(qū)不夠用，事務(wù)會(huì)在段中請(qǐng)求擴(kuò)展下一個(gè)盤區(qū)，如果所有已分配的盤區(qū)都被用完，事務(wù)會(huì)覆蓋最初的盤區(qū)或者在回滾段允許的情況下擴(kuò)展新的盤區(qū)來使用。

4.回滾段存在于Undo表空間中，在數(shù)據(jù)庫中可以存在多個(gè)Undo表空間，但同一時(shí)刻只能使用一個(gè)Undo表空間。

5.當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，InnoDB存儲(chǔ)引擎會(huì)做以下兩件事情：    1.將Undo Log放入列表中，以供之后的purge(清洗、清除)操作    2.判斷Undo Log所在的頁是否可以重用(低于3/4可以重用)，若可以分配給下個(gè)事務(wù)使用

• 回滾段中的數(shù)據(jù)分類

未提交的回滾數(shù)據(jù)(uncommitted undo information)：該數(shù)據(jù)所關(guān)聯(lián)的事務(wù)并未提交，用于實(shí)現(xiàn)讀一致性，所以該數(shù)據(jù)不能被其他事務(wù)的數(shù)據(jù)覆蓋。

已經(jīng)提交但未過期的回滾數(shù)據(jù)(committed undo information)：該數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的事務(wù)已經(jīng)提交，但是仍受到undo retention參數(shù)的保持時(shí)間的影響。

事務(wù)已經(jīng)提交并過期的數(shù)據(jù)(expired undo information)：事務(wù)已經(jīng)提交，而且數(shù)據(jù)保存時(shí)間已經(jīng)超過undo retention參數(shù)指定的時(shí)間，屬于已經(jīng)過期的數(shù)據(jù)。當(dāng)回滾段滿了之后，會(huì)優(yōu)先覆蓋"事務(wù)已經(jīng)提交并過期的數(shù)據(jù)"。

• Undo頁的重用

當(dāng)我們開啟一個(gè)事務(wù)需要寫Undo log的時(shí)候，就得先去Undo Log segment?中去找到一個(gè)空閑的位置，當(dāng)有空位的時(shí)候，就去申請(qǐng)Undo頁，在這個(gè)申請(qǐng)到的Undo頁中進(jìn)行Undo Log的寫入。我們知道MySQL默認(rèn)一頁的大小是16k。

為每一個(gè)事務(wù)分配一個(gè)頁，是非常浪費(fèi)的(除非你的事務(wù)非常長(zhǎng))，假設(shè)你的應(yīng)用的TPS(每秒處理的事務(wù)數(shù)目)為1000，那么1s就需要1000個(gè)頁，大概需要16M的存儲(chǔ)，1分鐘大概需要1G的存儲(chǔ)。如果照這樣下去除非MySQL清理的非常勤快，否則隨著時(shí)間的推移，磁盤空間會(huì)增長(zhǎng)的非?？?，而且很多空間都是浪費(fèi)的。

于是Undo頁就被設(shè)計(jì)的可以重用了，當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，并不會(huì)立刻刪除Undo頁。因?yàn)橹赜?，所以這個(gè)Undo頁可能混雜著其他事務(wù)的Undo Log。Undo Log在commit后，會(huì)被放到一個(gè)鏈表中，然后判斷Undo頁的使用空間是否小于3/4，如果小于3/4的話，則表示當(dāng)前的Undo頁可以被重用，那么它就不會(huì)被回收，其他事務(wù)的Undo Log可以記錄在當(dāng)前Undo頁的后面。由于Undo Log是離散的，所以清理對(duì)應(yīng)的磁盤空間時(shí)，效率不高。

• Undo Log日志的存儲(chǔ)機(jī)制

如上圖，可以看到，Undo Log日志里面不僅存放著數(shù)據(jù)更新前的記錄，還記錄著RowID、事務(wù)ID、回滾指針。其中事務(wù)ID每次遞增，回滾指針第一次如果是INSERT語句的話，回滾指針為NULL，第二次UPDATE之后的Undo Log的回滾指針就會(huì)指向剛剛那一條Undo Log日志，以此類推，就會(huì)形成一條Undo Log的回滾鏈，方便找到該條記錄的歷史版本。

Undo Log的工作原理

在更新數(shù)據(jù)之前，MySQL會(huì)提前生成Undo Log日志，當(dāng)事務(wù)提交的時(shí)候，并不會(huì)立即刪除Undo Log，因?yàn)楹竺婵赡苄枰M(jìn)行回滾操作，要執(zhí)行回滾（ROLLBACK）操作時(shí)，從緩存中讀取數(shù)據(jù)。Undo Log日志的刪除是通過通過后臺(tái)purge線程進(jìn)行回收處理的。

• 事務(wù)A執(zhí)行UPDATE操作，此時(shí)事務(wù)還沒提交，會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行備份到對(duì)應(yīng)的Undo Buffer，然后由Undo Buffer持久化到磁盤中的Undo Log文件中，此時(shí)Undo Log保存了未提交之前的操作日志，接著將操作的數(shù)據(jù)，也就是test表的數(shù)據(jù)持久保存到InnoDB的數(shù)據(jù)文件IBD。
• 此時(shí)事務(wù)B進(jìn)行查詢操作，直接從Undo Buffer緩存中進(jìn)行讀取，這時(shí)事務(wù)A還沒提交事務(wù)，如果要回滾（ROLLBACK）事務(wù)，是不讀磁盤的，先直接從Undo Buffer緩存讀取。

Undo Log的類型

在InnoDB存儲(chǔ)引擎中，Undo Log分為：

• insert Undo

Loginsert Undo Log是指在insert操作中產(chǎn)生的Undo Log。因?yàn)閕nsert操作的記錄，只對(duì)事務(wù)本身可見，對(duì)其他事務(wù)不可見(這是事務(wù)隔離性的要求)，故該Undo Log可以在事務(wù)提交后直接刪除。不需要進(jìn)行purge操作。

• update Undo

Logupdate Undo Log記錄的是對(duì)delete和update操作產(chǎn)生的Undo Log。該Undo Log可能需要提供MVCC機(jī)制，因此不能在事務(wù)提交時(shí)就進(jìn)行刪除。提交時(shí)放入U(xiǎn)ndo Log鏈表，等待purge線程進(jìn)行最后的刪除。

Undo Log的生命周期

簡(jiǎn)要生成過程

以下是Undo+Redo事務(wù)的簡(jiǎn)化過程:
假設(shè)有2個(gè)數(shù)值，分別為 A=1 和 B=2 ，然后將A修改為3，B修改為4

1. start transaction;
2．記錄A=1到Undo Log;
3. update A = 3;
4．記錄A=3 到Redo Log;
5．記錄B=2到Undo Log;
6. update B = 4;
7．記錄B=4到Redo Log;
8．將Redo Log刷新到磁盤;
9. commit

• 在1-8步驟的任意一步系統(tǒng)宕機(jī)，事務(wù)未提交，該事務(wù)就不會(huì)對(duì)磁盤上的數(shù)據(jù)做任何影響。
• 如果在8-9之間宕機(jī)。

Redo Log 進(jìn)行恢復(fù)

Undo Log 發(fā)現(xiàn)有事務(wù)沒完成進(jìn)行回滾。

• 若在9之后系統(tǒng)宕機(jī)，內(nèi)存映射中變更的數(shù)據(jù)還來不及刷回磁盤，那么系統(tǒng)恢復(fù)之后，可以根據(jù)Redo Log把數(shù)據(jù)刷回磁盤。

流程圖：

Undo Log的配置參數(shù)

• innodb_max_undo_log_size:Undo日志文件的最大值，默認(rèn)1GB，初始化大小10M
• innodb_undo_log_truncate:標(biāo)識(shí)是否開啟自動(dòng)收縮Undo Log表空間的操作
• innodb_undo_tablespaces:設(shè)置獨(dú)立表空間的個(gè)數(shù)，默認(rèn)為0，標(biāo)識(shí)不開啟獨(dú)立表空間，Undo日志保存在ibdata1中
• innodb_undo_directory:Undo日志存儲(chǔ)的目錄位置 innodb_undo_logs: 回滾的個(gè)數(shù) 默認(rèn)128

參考文章

《MySQL是怎樣運(yùn)行的--從根兒上理解MySQL》—小孩子4919(https://juejin.cn/book/6844733769996304392)