MySQL 日志系统之 redo log 和 binlog

2020-05-28 00:00:00 数据 语句 更新 记录 日志

之前我们了解了一条查询语句的执行流程,并介绍了执行过程中涉及的处理模块。一条查询语句的执行过程一般是经过连接器、分析器、优化器、执行器等功能模块,后到达存储引擎。

那么,一条 SQL 更新语句的执行流程又是怎样的呢?

首先我们创建一个表 T,主键为 id,创建语句如下:

CREATE TABLE `T` (  `ID` int(11) NOT NULL,  `c` int(11) DEFAULT NULL,  PRIMARY KEY (`ID`)) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

插入一条数据:

INSERT INTO T VALUES ('2', '1');

如果要将 ID=2 这一行的 c 的值加 1,SQL 语句为:

UPDATE T SET c = c + 1 WHERE ID = 2;

前面介绍过 SQL 语句基本的执行链路,这里把那张图拿过来。因为,更新语句同样会走一遍查询语句走的流程。

1.通过连接器,客户端与 MySQL 建立连接2.update 语句会把 T 表上的所有查询缓存结果清空3.分析器会通过词法分析和语法分析识别这是一条更新语句4.优化器会决定使用 ID 这个索引(聚簇索引)5.执行器负责具体执行,找到匹配的一行,然后更新6.更新过程中还会涉及 redo log(重做日志)和 binlog(归档日志)的操作

其中,这两种日志默认在数据库的 data 目录下,redo log 是 ib_logfile0 格式的,binlog 是 xxx-bin.000001 格式的。

接下来让我们分别去研究下日志模块中的 redo log 和 binlog。

日志模块:redo log

在 MySQL 中,如果每一次的更新操作都需要写进磁盘,然后磁盘也要找到对应的那条记录,然后再更新,整个过程 IO 成本、查找成本都很高。为了解决这个问题,MySQL 的设计者就采用了日志(redo log)来提升更新效率。

而日志和磁盘配合的整个过程,其实就是 MySQL 里的 WAL 技术,WAL 的全称是 Write-Ahead Logging,它的关键点就是先写日志,再写磁盘。

具体来说,当有一条记录需要更新的时候,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log(redolog buffer)里面,并更新内存(buffer pool),这个时候更新就算完成了。同时,InnoDB 引擎会在适当的时候(如系统空闲时),将这个操作记录更新到磁盘里面(刷脏页)。

redo log 是 InnoDB 存储引擎层的日志,又称重做日志文件,redo log 是循环写的,redo log 不是记录数据页更新之后的状态,而是记录这个页做了什么改动。

redo log 是固定大小的,比如可以配置为一组 4 个文件,每个文件的大小是 1GB,那么日志总共就可以记录 4GB 的操作。从头开始写,写到末尾就又回到开头循环写,如下图所示。

图中展示了一组 4 个文件的 redo log 日志,checkpoint 是当前要擦除的位置,擦除记录前需要先把对应的数据落盘(更新内存页,等待刷脏页)。write pos 到 checkpoint 之间的部分可以用来记录新的操作,如果 write pos 和 checkpoint 相遇,说明 redolog 已满,这个时候数据库停止进行数据库更新语句的执行,转而进行 redo log 日志同步到磁盘中。checkpoint 到 write pos 之间的部分等待落盘(先更新内存页,然后等待刷脏页)。

有了 redo log 日志,那么在数据库进行异常重启的时候,可以根据 redo log 日志进行恢复,也就达到了 crash-safe。

redo log 用于保证 crash-safe 能力。innodb_flush_log_at_trx_commit 这个参数设置成 1 的时候,表示每次事务的 redo log 都直接持久化到磁盘。这个参数建议设置成 1,这样可以保证 MySQL 异常重启之后数据不丢失。

日志模块:binlog

MySQL 整体来看,其实就有两块:一块是 Server 层,它主要做的是 MySQL 功能层面的事情;还有一块是引擎层,负责存储相关的具体事宜。redo log 是 InnoDB 引擎特有的日志,而 Server 层也有自己的日志,称为 binlog(归档日志)。

binlog 属于逻辑日志,是以二进制的形式记录的是这个语句的原始逻辑,依靠 binlog 是没有 crash-safe 能力的。

binlog 有两种模式,statement 格式的话是记 sql 语句,row 格式会记录行的内容,记两条,更新前和更新后都有。

sync_binlog 这个参数设置成 1 的时候,表示每次事务的 binlog 都持久化到磁盘。这个参数也建议设置成 1,这样可以保证 MySQL 异常重启之后 binlog 不丢失。

为什么会有两份日志呢?

因为开始 MySQL 里并没有 InnoDB 引擎。MySQL 自带的引擎是 MyISAM,但是 MyISAM 没有 crash-safe 的能力,binlog 日志只能用于归档。而 InnoDB 是另一个公司以插件形式引入 MySQL 的,既然只依靠 binlog 是没有 crash-safe 能力的,所以 InnoDB 使用另外一套日志系统——也就是 redo log 来实现 crash-safe 能力。

redo log 和 binlog 区别:

1.redo log 是 InnoDB 引擎特有的;binlog 是 MySQL 的 Server 层实现的,所有引擎都可以使用。2.redo log 是物理日志,记录的是在某个数据页上做了什么修改;binlog 是逻辑日志,记录的是这个语句的原始逻辑。3.redo log 是循环写的,空间固定会用完;binlog 是可以追加写入的。追加写是指 binlog 文件写到一定大小后会切换到下一个,并不会覆盖以前的日志。

有了对这两个日志的概念性理解后,再来看执行器和 InnoDB 引擎在执行这个 update 语句时的内部流程。

1.执行器先找引擎取 ID=2 这一行。ID 是主键,引擎直接用树搜索找到这一行。如果 ID=2 这一行所在的数据页本来就在内存中,就直接返回给执行器;否则,需要先从磁盘读入内存,然后再返回。2.执行器拿到引擎给的行数据,把这个值加上 1,比如原来是 N,现在就是 N+1,得到新的一行数据,再调用引擎接口写入这行新数据。3.引擎将这行新数据更新到内存(InnoDB Buffer Pool)中,同时将这个更新操作记录到 redo log 里面,此时 redo log 处于 prepare 状态。然后告知执行器执行完成了,随时可以提交事务。4.执行器生成这个操作的 binlog,并把 binlog 写入磁盘。5.执行器调用引擎的提交事务接口,引擎把刚刚写入的 redo log 改成提交(commit)状态,更新完成。

下图为 update 语句的执行流程图,图中灰色框表示是在 InnoDB 内部执行的,绿色框表示是在执行器中执行的。

其中将 redo log 的写入拆成了两个步骤:prepare 和 commit,这就是两阶段提交(2PC)。

两阶段提交(2PC)

MySQL 使用两阶段提交主要解决 binlog 和 redo log 的数据一致性的问题。

redo log 和 binlog 都可以用于表示事务的提交状态,而两阶段提交就是让这两个状态保持逻辑上的一致。下图为 MySQL 二阶段提交简图:

两阶段提交原理描述:

1.InnoDB redo log 写盘,InnoDB 事务进入 prepare 状态。2.如果前面 prepare 成功,binlog 写盘,那么再继续将事务日志持久化到 binlog,如果持久化成功,那么 InnoDB 事务则进入 commit 状态(在 redo log 里面写一个 commit 记录)

备注: 每个事务 binlog 的末尾,会记录一个 XID event,标志着事务是否提交成功,也就是说,recovery 过程中,binlog 后一个 XID event 之后的内容都应该被 purge。

日志相关问题

怎么进行数据恢复?

binlog 会记录所有的逻辑操作,并且是采用追加写的形式。当需要恢复到指定的某一秒时,比如今天下午二点发现中午十二点有一次误删表,需要找回数据,那你可以这么做:

首先,找到近的一次全量备份,从这个备份恢复到临时库然后,从备份的时间点开始,将备份的 binlog 依次取出来,重放到中午误删表之前的那个时刻。

这样你的临时库就跟误删之前的线上库一样了,然后你可以把表数据从临时库取出来,按需要恢复到线上库去。

redo log 和 binlog 是怎么关联起来的?

redo log 和 binlog 有一个共同的数据字段,叫 XID。崩溃恢复的时候,会按顺序扫描 redo log:

如果碰到既有 prepare、又有 commit 的 redo log,就直接提交;如果碰到只有 parepare、而没有 commit 的 redo log,就拿着 XID 去 binlog 找对应的事务。

MySQL 怎么知道 binlog 是完整的?

一个事务的 binlog 是有完整格式的:

statement 格式的 binlog,后会有 COMMITrow 格式的 binlog,后会有一个 XID event

在 MySQL 5.6.2 版本以后,还引入了 binlog-checksum 参数,用来验证 binlog 内容的正确性。对于 binlog 日志由于磁盘原因,可能会在日志中间出错的情况,MySQL 可以通过校验 checksum 的结果来发现。所以,MySQL 是有办法验证事务 binlog 的完整性的。

redo log 一般设置多大?

redo log 太小的话,会导致很快就被写满,然后不得不强行刷 redo log,这样 WAL 机制的能力就发挥不出来了。

如果是几个 TB 的磁盘的话,直接将 redo log 设置为 4 个文件,每个文件 1GB。

数据写入后的终落盘,是从 redo log 更新过来的还是从 buffer pool 更新过来的呢?

实际上,redo log 并没有记录数据页的完整数据,所以它并没有能力自己去更新磁盘数据页,也就不存在由 redo log 更新过去数据终落盘的情况。

1.数据页被修改以后,跟磁盘的数据页不一致,称为脏页。终数据落盘,就是把内存中的数据页写盘。这个过程与 redo log 毫无关系。2.在崩溃恢复场景中,InnoDB 如果判断到一个数据页可能在崩溃恢复的时候丢失了更新,就会将它读到内存,然后让 redo log 更新内存内容。更新完成后,内存页变成脏页,就回到了种情况的状态。

redo log buffer 是什么?是先修改内存,还是先写 redo log 文件?

在一个事务的更新过程中,日志是要写多次的。比如下面这个事务:

begin;INSERT INTO T1 VALUES ('1', '1');INSERT INTO T2 VALUES ('1', '1');commit;

这个事务要往两个表中插入记录,插入数据的过程中,生成的日志都得先保存起来,但又不能在还没 commit 的时候就直接写到 redo log 文件里。

因此就需要 redo log buffer 出场了,它就是一块内存,用来先存 redo 日志的。也就是说,在执行个 insert 的时候,数据的内存被修改了,redo log buffer 也写入了日志。

但是,真正把日志写到 redo log 文件,是在执行 commit 语句的时候做的。

以下是我截取的部分 redo log buffer 的源代码:

/** redo log buffer */struct log_t{    char        pad1[CACHE_LINE_SIZE];    lsn_t        lsn;            ulint        buf_free;   // buffer 内剩余空间的起始点的 offset#ifndef UNIV_HOTBACKUP    char        pad2[CACHE_LINE_SIZE];    LogSysMutex    mutex;            LogSysMutex    write_mutex;        char        pad3[CACHE_LINE_SIZE];    FlushOrderMutex    log_flush_order_mutex;#endif /* !UNIV_HOTBACKUP */    byte*        buf_ptr;    // 隐性的 buffer    byte*        buf;        // 真正操作的 buffer    bool        first_in_use;        ulint        buf_size;   // buffer大小    bool        check_flush_or_checkpoint;    UT_LIST_BASE_NODE_T(log_group_t) log_groups;
#ifndef UNIV_HOTBACKUP /** The fields involved in the log buffer flush @{ */ ulint buf_next_to_write; volatile bool is_extending; lsn_t write_lsn; /*!< last written lsn */ lsn_t current_flush_lsn; lsn_t flushed_to_disk_lsn; ulint n_pending_flushes; os_event_t flush_event; ulint n_log_ios; ulint n_log_ios_old; time_t last_printout_time;
/** Fields involved in checkpoints @{ */ lsn_t log_group_capacity; lsn_t max_modified_age_async; lsn_t max_modified_age_sync; lsn_t max_checkpoint_age_async; lsn_t max_checkpoint_age; ib_uint64_t next_checkpoint_no; lsn_t last_checkpoint_lsn; lsn_t next_checkpoint_lsn; mtr_buf_t* append_on_checkpoint; ulint n_pending_checkpoint_writes; rw_lock_t checkpoint_lock;#endif /* !UNIV_HOTBACKUP */ byte* checkpoint_buf_ptr; byte* checkpoint_buf; /* @} */};

redo log buffer 本质上只是一个 byte 数组,但是为了维护这个 buffer 还需要设置很多其他的 meta data,这些 meta data 全部封装在 log_t 结构体中。

总结

这篇文章主要介绍了 MySQL 里面重要的两个日志,即物理日志 redo log(重做日志)和逻辑日志 binlog(归档日志),还讲解了有与日志相关的一些问题。

另外还介绍了与 MySQL 日志系统密切相关的两阶段提交(2PC),两阶段提交是解决分布式系统的一致性问题常用的一个方案,类似的还有 三阶段提交(3PC) 和 PAXOS 算法。


Spring 和Spring Boot 到底什么关系


合理利用延迟初始化优化 Spring Boot



相关文章