MySQL学习笔记 ---- redo log、undo log及MVCC详解

事务是数据库管理系统中处理并发操作的基本单位，其核心在于保证数据操作的可靠性与一致性。数据库通过ACID特性定义事务的行为规范，而redo log、undo log和MVCC则是实现这些特性的关键技术。

一、事务的ACID特性概述

事务的四大特性是数据库可靠性的基石，具体定义如下：

• 原子性（Atomicity）：事务是不可分割的最小单位，要么全部执行成功，要么全部失败回滚，不存在部分执行的状态。例如，转账操作中“扣款”和“入账”必须同时成功或同时失败。
• 一致性（Consistency）：事务执行前后，数据库从一个一致状态转换到另一个一致状态，满足预设的业务规则（如余额不能为负）。
• 隔离性（Isolation）：多个并发事务之间相互隔离，一个事务的操作不会被其他事务干扰，避免脏读、不可重复读、幻读等问题。
• 持久性（Durability）：事务提交后，其修改会永久保存到数据库中，即使系统崩溃也不会丢失。

二、原子性与一致性的实现：undo log（回滚日志）

undo log是保障事务原子性的核心机制，同时为一致性提供基础支持，也是MVCC实现的重要依赖。

（一）核心作用

1. 支持事务回滚：当事务执行失败或主动触发ROLLBACK时，undo log记录的反向操作可撤销事务的所有修改，确保原子性。
2. 支撑MVCC：为并发读操作提供数据的历史版本，保证隔离性的同时，间接维护了数据的一致性。

（二）日志本质与示例

undo log是逻辑日志，记录“与原操作相反的逻辑指令”，而非物理修改（如内存地址或磁盘块变化）。

• 若执行INSERT，undo log记录DELETE（包含插入的完整数据）；
• 若执行UPDATE，undo log记录“将字段恢复为修改前值”的UPDATE指令；
• 若执行DELETE，undo log记录INSERT（包含删除前的完整数据）。

（三）生命周期与存储

• 生成：事务执行过程中实时生成，每条修改操作都会对应一条或多条undo log。
• 使用：
  • 事务回滚时，逐条执行undo log的反向操作，撤销修改；
  • MVCC中，快照读通过undo log访问历史版本（如可重复读隔离级别下的非阻塞读）。
• 销毁：事务提交后，undo log不会立即删除（需保留供MVCC读取），由后台Purge线程异步回收（当历史版本不再被任何事务需要时）。
• 存储：存放在rollback segment（回滚段）中，每个回滚段包含1024个undo log segment，可通过innodb_rollback_segments参数配置数量。

三、持久性的实现：redo log（重做日志）

redo log是保障事务持久性的关键，通过预写日志机制（WAL）确保已提交事务的数据不丢失。

（一）核心作用

当数据库崩溃时，若内存中的修改（脏页）尚未刷写到数据文件，可通过redo log重新执行修改操作，恢复已提交事务的结果，确保持久性。

（二）组成与工作流程

redo log由内存和磁盘两部分组成，配合缓冲池（Buffer Pool）完成数据修改的持久化：

• redo log buffer：内存中的临时缓冲区，暂存事务的修改日志。
• redo log file：磁盘上的持久化文件（如ib_logfile0、ib_logfile1），按顺序追加写入。

工作流程：

1. 事务执行UPDATE/INSERT/DELETE时，先修改缓冲池（Buffer Pool）中的数据页（生成脏页）；
2. 同时，将修改的物理操作（如“在某数据页的某位置写入某值”）记录到redo log buffer；
3. 事务提交时，redo log buffer中的日志根据参数innodb_flush_log_at_trx_commit配置刷写到redo log file（确保日志持久化）；
4. 后台线程（如master thread）定期将缓冲池中的脏页异步刷写到数据文件（如.ibd）。

（三）为何比直接刷脏页更高效？

（四）刷盘时机控制

参数innodb_flush_log_at_trx_commit决定事务提交时redo log buffer的刷盘策略：

• 0：每秒由后台线程将redo log buffer刷盘（崩溃可能丢失1秒内的事务）；
• 1（默认）：事务提交时立即将redo log buffer刷盘并同步到磁盘（最安全，性能略低）；
• 2：事务提交时将redo log buffer刷到操作系统缓存，由操作系统每秒同步到磁盘（崩溃可能丢失操作系统缓存中的数据）。

四、隔离性的实现：MVCC（多版本并发控制）

隔离性要求多个并发事务的操作相互隔离，MVCC通过维护数据的多版本，实现读写不阻塞，是InnoDB默认的隔离性实现机制（配合锁机制解决写写冲突）。

（一）MVCC的核心目标

• 允许读操作不阻塞写操作，写操作不阻塞读操作（读写并行）；
• 在不同隔离级别下，通过控制数据版本的可见性，避免脏读、不可重复读等问题。

（二）快照读与当前读：MVCC中的两种读方式

MVCC通过两种读方式实现读写并行，具体区别如下：

1. 快照读（Snapshot Read）

• 定义：不加锁的非阻塞读，读取的是数据的“历史版本”（而非最新版本），版本由事务首次读取时生成的快照（通过ReadView确定可见性）决定。
• 核心特点：
  • 无锁竞争，避免读写冲突，提升并发性能；
  • 版本依赖于事务隔离级别和ReadView生成时机；
  • 非阻塞性，即使数据被其他事务锁定，仍可读取历史版本。
• 适用场景：简单查询语句（不加锁的SELECT），例如：

  SELECT id, name FROM user WHERE age > 18;  -- 快照读，无锁
  

2. 当前读（Current Read）

• 定义：加锁的阻塞读，读取的是数据的“最新版本”，通过加锁（共享锁或排他锁）确保数据一致性，阻塞其他事务的冲突操作。
• 核心特点：
  • 加锁机制保证读取最新版本，避免并发修改冲突；
  • 阻塞性，若记录被其他事务加排他锁，会等待锁释放。
• 适用场景：
  • 写操作：INSERT、UPDATE、DELETE（自动加排他锁）；

    UPDATE user SET name = 'new' WHERE id = 1;  -- 当前读，加排他锁
    

  • 手动加锁的查询：

    SELECT id FROM user WHERE id = 1 LOCK IN SHARE MODE;  -- 加共享锁
    SELECT id FROM user WHERE id = 1 FOR UPDATE;          -- 加排他锁
    

（三）MVCC的三大组成部分

1. 数据行的隐藏字段

InnoDB为每行数据添加三个隐藏字段，用于标记版本和关联回滚日志：

• DB_TRX_ID：最近修改该记录的事务ID（事务ID是自增的，新事务ID更大）；
• DB_ROLL_PTR：回滚指针，指向undo log中该记录的上一个版本（形成版本链）；
• DB_ROW_ID：若表无主键，自动生成的隐藏主键，用于唯一标识记录。

2. undo log版本链

事务修改数据时，会生成undo log并通过DB_ROLL_PTR串联成版本链，最新版本在链头，历史版本依次向后。
示例：

• 事务10插入一条记录，DB_TRX_ID=10，DB_ROLL_PTR=NULL（无历史版本）；
• 事务20更新该记录，生成undo log（记录事务10的版本），新记录DB_TRX_ID=20，DB_ROLL_PTR指向事务10的undo log；
• 事务30再次更新，生成新的undo log（记录事务20的版本），DB_TRX_ID=30，DB_ROLL_PTR指向事务20的undo log。

3. ReadView（读视图）

ReadView是快照读的依据，记录当前系统中活跃的事务ID，用于判断版本链中哪个版本对当前事务可见。
ReadView包含四个核心字段：

• m_ids：当前活跃事务ID的集合（生成快照时未提交的事务）；
• min_trx_id：活跃事务中最小的事务ID；
• max_trx_id：下一个将被分配的事务ID（当前最大事务ID+1）；
• creator_trx_id：生成该ReadView的事务ID。

（四）版本可见性判断规则

当事务执行快照读时，通过ReadView检查版本链中记录的DB_TRX_ID，判断是否可见：

1. 若DB_TRX_ID == creator_trx_id：可见（当前事务修改的记录）；
2. 若DB_TRX_ID < min_trx_id：可见（该事务已提交，且早于所有活跃事务）；
3. 若DB_TRX_ID >= max_trx_id：不可见（该事务在ReadView生成后才开启）；
4. 若min_trx_id ≤ DB_TRX_ID < max_trx_id：
   • 若DB_TRX_ID不在m_ids中：可见（事务已提交）；
   • 若DB_TRX_ID在m_ids中：不可见（事务未提交，属于活跃事务）。

（五）不同隔离级别的MVCC实现

• 读已提交（Read Committed, RC）：每次执行select时生成新的ReadView，因此能看到其他事务已提交的最新修改（避免脏读，但可能出现不可重复读）。
• 可重复读（Repeatable Read, RR）：事务内第一次select时生成ReadView，后续select复用该ReadView，因此多次读取结果一致（避免不可重复读）。

五、ACID特性的协同实现

• 原子性：由undo log实现，事务失败时通过回滚日志撤销所有修改。
• 持久性：由redo log实现，通过预写日志确保已提交事务的修改不会因崩溃丢失。
• 隔离性：由MVCC（解决读写冲突，通过快照读和当前读实现）和锁机制（解决写写冲突）共同实现，不同隔离级别通过ReadView生成时机和锁粒度控制隔离程度。
• 一致性：是原子性、持久性、隔离性共同作用的结果，同时依赖应用层的业务逻辑（如约束检查、触发器等）。

总结

redo log、undo log和MVCC是InnoDB事务机制的三大支柱：

• redo log保障“已提交事务不丢失”，是持久性的核心；
• undo log保障“事务要么全成要么全退”，是原子性的核心，同时支撑MVCC的历史版本；
• MVCC通过多版本、ReadView及“快照读/当前读”的区分，实现高效的读写并行，是隔离性的核心。

三者协同工作，最终实现了事务的ACID特性，使数据库在高并发场景下既能保证数据一致性，又能维持高效的读写性能。