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与正常的查询流程一样,会经过连接器、分析器、优化器、执行器等功能模块,最后到达存储引擎。而不太一样的地方是,在执行器这一层,sql更新流程还涉及两个重要的日志模块Redo Log(重做日志)、BinLog(归档日志)

重要的日志模块:redo log

先引入《孔乙己》酒店掌柜赊账案例,酒店掌柜有一个粉板,专门用来记录客人的赊账记录。如果赊账的人不多,那么他可以把顾客名和账目写在板上。但如果赊账的人多了,粉板总会有记不下的时候,这个时候掌柜一定还有一个专门记录赊账的账本。

如果有人要赊账或者还账的话,掌柜一般有两种做法:

  • 一种做法是直接把账本翻出来,把这次赊的账加上去或者扣除掉;
  • 另一种做法是先在粉板上记下这次的账,等打烊以后再把账本翻出来核算。

在生意红火柜台很忙时,掌柜一定会选择后者,因为前者操作实在是太麻烦了。如果掌柜没有粉板的帮助,每次记账都得翻账本,账本密密麻麻几十页,翻完找到人算好账,最后记录下来,效率是不是低得让人难以忍受?

mysql也存在相同的情况,如果每一次更新操作都要写磁盘(账本),整体的IO成本、查找成本都高,粉板》账本记录的思路就可以应用到mysql的更新操作,也就是mysql的WAL技术,它的关键点就是先写日志。

WAL(Write Ahead Log)技术,也称为日志先行的技术,指的是对数据文件进行修改前,必须将修改先记录日志。保证了数据一致性和持久性,并且提升语句执行性能。

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(粉板)里面,并更新内存,这个时候更新就算完成了。同时,InnoDB 引擎会在适当的时候,将这个操作记录更新到磁盘里面。

如果redo log(粉板)写満了,又会怎么样呢?这个时候只能停下来把数据记录到磁盘(账本),为(粉板)新的记录腾出空间。innoDB 的 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,那么这块“粉板”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,如下面这个图所示。

write pos 是当前记录的位置,一边写一边后移,写到第 3 号文件末尾后就回到 0 号文件开头。checkpoint 是当前要擦除的位置,也是往后推移并且循环的,擦除记录前要把记录更新到数据文件。

write pos 和 checkpoint 之间的是“粉板”上还空着的部分,可以用来记录新的操作。如果 write pos 追上 checkpoint,表示“粉板”满了,这时候不能再执行新的更新,得停下来先擦掉一些记录,把 checkpoint 推进一下。

有了 redo log,InnoDB 就可以保证即使数据库发生异常重启,之前提交的记录都不会丢失,这个能力称为 crash-safe。

有的同学就会问了,你这个redo log不是先记录到内存吗?断电了不也就丢失了吗?怎么就是crash-safe,数据提交都能记录下来呢?其实crash-safe就是写日志到磁盘(redo log),然后更新内存。写日志虽然也是写磁盘,但是它是顺序写,会比更新表数据的(查数据、更新数据的随机IO操作来得快很多),虽然断电内存会丢失,但还有redo log数据记录,重新开机后,再读取log处理也就能正常。

重要的日志模块:binlog

上面我们聊到的粉板 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)。

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。

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 与bin-log有以下三种不同

  • 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。
  • 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,比如“给 ID=2 这一行的 c 字段加 1 ”。
  • 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。

执行器和 InnoDB 引擎在执行这个简单的 update 语句时的内部流程,如下:

  • 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。
  • 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。
  • 引擎将这行新数据更新到内存中,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。
  • 执行器生成这个操作的 binlog,并把 binlog 写入磁盘。
  • 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。
图中浅色框表示是在 InnoDB 内部执行的,深色框表示是在执行器中执行的

最后三步看上去有点“绕”,将 redo log 的写入拆成了两个步骤:prepare 和 commit,这就是"两阶段提交"。确保redo log和binlog都写入了记录,最终完成事务。以便在后期恢复数据时保证一致性。

为什么需要确保redo log和binlog都写入了记录?不妨用反证法来进行解释。

由于 redo log 和 binlog 是两个独立的逻辑,如果不用两阶段提交,要么就是先写完 redo log 再写 binlog,或者采用反过来的顺序。

仍然用前面的 update 语句来做例子。假设当前 ID=2 的行,字段 c 的值是 0,再假设执行 update 语句过程中在写完第一个日志后,第二个日志还没有写完期间系统(crash)崩溃了,会出现什么情况呢?

  • 先写 redo log 后写 binlog。假设在 redo log 写完,binlog 还没有写完的时候,MySQL 进程异常重启。由于我们前面说过的,redo log 写完之后,系统即使崩溃,仍然能够把数据恢复回来,所以恢复后这一行 c 的值是 1。但是由于 binlog 没写完就 crash 了,这时候 binlog 里面就没有记录这个语句。因此,之后备份日志的时候,存起来的 binlog 里面就没有这条语句。然后你会发现,如果需要用这个 binlog 来恢复临时库的话,由于这个语句的 binlog 丢失,这个临时库就会少了这一次更新,恢复出来的这一行 c 的值就是 0,与原库的值不同。
  • 先写 binlog 后写 redo log。如果在 binlog 写完之后 crash,由于 redo log 还没写,崩溃恢复以后这个事务无效,所以这一行 c 的值是 0。但是 binlog 里面已经记录了“把 c 从 0 改成 1”这个日志。所以,在之后用 binlog 来恢复的时候就多了一个事务出来,恢复出来的这一行 c 的值就是 1,与原库的值不同。可以看到,如果不使用“两阶段提交”,那么数据库的状态就有可能和用它的日志恢复出来的库的状态不一致。

总结

mysql存在两个重要日志,一个是server层的逻辑binlog日志,一个是innodb的 crash-safe 能力的redolog物理日志

在sql更新语句执行时,使用innodb引擎的表,会先将更新写入的redolog,再更新内存,空闲时间再做数据库的IO落盘工作,写入redolog的时候会与server层的binlog做两阶段提交,保证日志记录的逻辑一致性。

为保证crash-safe 能力,可以将innodb_flush_log_at_trx_commit 这个参数设置成 1,表示每次事务的 redo log 都直接持久化到磁盘

为保证异常重启之后 binlog 不丢失,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。