文章大纲

• Undo日志
• Redo日志
• MVCC

Undo 日志

关系型数据需要实现事务的 ACID 特性，其中一点就是事务的原子性，Mysql 就是通过 Undo 日志就来实现的。

数据库处理数据都是先读到内存中，然后修改内存中的数据，最后将数据写回磁盘。

在事务处理过程中，操作数据之前会先将数据缓存至 Undo 日志，然后进行数据的修改。当事务回滚时，或者数据库奔溃时，系统可以利用 Undo 日志中的备份将数据恢复到事务开始之前的状态，撤销未提交事务对数据库产生的影响。

具体流程

假设有个用户表，字段有 id、name。

现需要将 id=1 的 name 修改为 kawaii，流程如下：

1、事务开始
2、将 id=1 的行数据记录到 undo log buffer
3、修改 id=1 的行数据 name 为 kawaii
4、undo log buffer 写入磁盘为 undo log file
5、将数据写入磁盘
6、事务提交

步骤 1 - 3 都是在内存中完成，第 4 步之前包括第 4 步如果出现问题，undo log 与数据都未写入磁盘，可以直接回滚，第 4 步之后出现问题，此时 undo log 已写入磁盘，利用 undo log 进行回滚。

对于insert操作，undo 日志记录新数据的 PK(ROW_ID)，回滚时直接删除
对于delete/update操作，undo 日志记录旧数据，回滚时直接恢复

存在问题

事务提交时需要将内存中的数据同步写入磁盘，数据写入磁盘属于随机IO，性能较差，会极大影响数据库的吞吐量。

优化方案：将修改行为先写到 Redo 日志(顺序写)，再定期将数据刷到磁盘上，这样能极大提高性能。

Redo 日志

Undo 日志存储的是历史数据快照，Redo 日志则存储最新数据。

具体流程

还是以上文中的操作为例：

1、事务开始
2、将 id=1 的行数据记录到 undo log buffer
3、修改 id=1 的行数据 name 为 kawaii
4、记录修改日志到 redo log buffer
5、undo log buffer 写入磁盘为 undo log file
6、redo log buffer 写入磁盘为 redo log file
7、事务提交

都是写磁盘，写 Redo 日志文件与直接写数据库文件有什么区别？

写 Redo 日志文件是顺序IO，而写数据库文件是随机IO，性能差别大。

Redo 日志文件写入成功后，数据库会另起线程将 Redo 日志写入数据库数据文件，实现持久化。

MVCC

MVCC(Multi-Version Concurrency Control)即多版本并发控制，Mysql、Oracle、PostgreSQL等数据库都实现了MVCC，但各自实现的机制不尽相同，因为MVCC没有统一的实现标准。

事务隔离级别

事务有四个隔离级别

• 脏读：事务中的未提交的修改对其它事务是可见的。

如下表所示，事务B可以读取到事务A未提交的数据。

• 重复读：事务中多次读取同一数据，结果不一致。

如下表所示，事务B两次读取之间事务A修改了数据并提交事务，事务B的第二次读取与第一次读取结果有变化。

• 幻读：一个事务在读取某个范围内的记录时，另一个事务在该范围插入的新记录，之前事务再次读取该范围记录时，会产生幻行。

如下表所示，事务B两次读取之间事务A插入了一条数据并提交事务，事务B第二次读取 id < 5 的范围数据时，数量增加了。

什么是MVCC

InnoDB 存储引擎默认的事务隔离级别为 RR (可重复读)

那么 InnoDB 如何实现可重复读？加行级锁是肯定可以实现的，但如果对读操作也加行级锁，将严重影响数据库的并发性能，而MVCC 就是这个问题的解决方案。

MVCC 是一种用来解决读-写冲突的无锁并发控制，通过对行数据的多版本控制，避免了读操作时的加锁操作，因此开销更低，大大提高数据库系统的并发性能。

InnoDB 就是通过 行级锁+MVCC 共同实现事务隔离，正常读的时候不加锁，写的时候对数据行加排它锁。

MVCC 只能在 Read Committed 和 Repeatable Read 两个隔离级别下工作。

MVCC实现原理

存储结构

InnoDB 支持聚簇索引，默认设置主键列为聚簇索引，如果表中无主键，则会选择一个唯一的非空索引作为聚簇索引，如果也没有，则会隐式定义一个主键作为聚簇索引。

InnoDB 的数据行存储在聚簇索引上，结构如下：

可以看到索引上不仅存储了索引列、行数据，还包含了两个隐藏字段：

• DB_TRX_ID(6字节)：表示最近一次修改(insert | update)的事务ID。
• DB_ROLL_PTR(7字节)：回滚指针，指向这条记录的上一个版本(存储于 roolback segment 里的 update undo log)

还有一个删除 flag 隐藏字段，delete 操作被认为是一个 update 操作，只是修改了该删除标记位，而不是物理删除。

以上文中的表结构为例：

第一步：事务1，插入一条记录

第二步：事务2，修改 name 为 kawaii，流程如下

1、事务开始，对数据行加排它锁
2、将该行数据记录到 undo log，事务ID 为 1 的数据行
3、修改该行数据 name 为 kawaii，DB_TRX_ID 修改为 2，DB_ROLL_PTR 指向 步骤 2 中记录的 undo log
4、提交事务，释放排它锁

当前最新数据如下，其中 0x23636355 指向 undo log 中 DB_TRX_ID 为 1 的地址

第三步：事务3，修改 name 为 unknown，流程如下

1、事务开始，对数据行加排它锁
2、将该行数据记录到 undo log，事务ID 为 2 的数据行
3、修改该行数据 name 为 unknown，DB_TRX_ID 修改为 3，DB_ROLL_PTR 指向 步骤 2 中记录的 undo log
4、提交事务，释放排它锁

当前最新数据如下，其中 0x65461234 指向 undo log 中 DB_TRX_ID 为 2 的地址

可以看出，通过 DB_ROLL_PTR 指针，同一行数据的多个版本形成了一个单向链表，链表中除第一条记录，都存储在 undo log。

ReadView 结构

通过 undo log 实现数据的多版本存储，接下来需要处理的就是数据读取的问题，该读取哪个版本的数据？ReadView 就是用来做可见性判断的。

ReadView 结构有几个重要的变量

• creator_trx_id：当前事务的ID，每个事务都会拥有一个ID，是一个递增的编号。
• trx_ids：Read View创建时其他未提交的活跃事务ID列表。
• low_limit_id：目前出现过的最大的事务ID+1，即下一个将被分配的事务ID。
• up_limit_id：活跃事务列表 trx_ids 中最小的事务ID，如果 trx_ids为空，则 up_limit_id 为 low_limit_id。

InnoDB 会在事务执行第一个 select 语句的时候创建 ReadView，读取某行记录的时候，根据该行的DB_TRX_ID 与 ReadView 进行可见性分析，判断读取哪个版本的数据。

具体的可见性比较算法如下：

• 判断 DB_TRX_ID < up_limit_id，如果成立，表明 最新修改该行的事务 在 当前事务 创建 ReadView 之前就已经提交，所以 DB_TRX_ID 版本对 当前事务 是可见的，否则进入下一个判断
• 判断 DB_TRX_ID >= low_limit_id，如果成立，表明 最新修改该行的事务 在 当前事务 创建 ReadView 之后才修改该行，所以DB_TRX_ID 版本对 当前事务 是不可见的
• 判断 DB_TRX_ID 是否在活跃事务列表 trx_ids 中如果在，表明在 当前事务 创建 ReadView 时，最新修改该行的事务 还在活跃中，尚未提交，所以 DB_TRX_ID 版本对 当前事务 是不可见的。如果不在，表明在 当前事务 创建 ReadView 之前，最新修改该行的事务 就已经提交，所以 DB_TRX_ID 版本对 当前事务 是可见的。
• DB_TRX_ID 版本对 当前事务 不可见，则根据 DB_ROLL_PTR 取出上一个版本数据，使用其 DB_TRX_ID 重新判断一次。

看完规则后，也许脑瓜子是嗡嗡的，那么接下来做一个模拟分析

事务2 执行快照读时，数据库为该行数据创建一个 ReadView，此时事务1、3处于活跃状态，事务4已提交，那么 ReadView 中各个变量的值如下：

trx_ids = [1,3]low_limit_id = 4 + 1 = 5up_limit_id = 1123

事务2读取最新记录，该记录的 DB_TRX_ID = 4，根据上文中的规则

• 判断 DB_TRX_ID < up_limit_id，不成立，下一步
• 判断 DB_TRX_ID >= low_limit_id，也不成立，下一步
• 判断 DB_TRX_ID 是否在 trx_ids 集合中，结果为否，符合可见性条件。

所以事务4提交的最新结果对事务2是可见的。

再来一个更复杂的模拟分析，原始金额为 500，DB_TRX_ID 为 100

MVCC实现RR/RC事务隔离级别

前文中给出的示例都是基于 RR 隔离级别，下文给出一个 RR 隔离级别的简单示例，方便与 RC 隔离级别进行比较。

RR 隔离级别

RC 隔离级别

都是使用 MVCC 进行实现，同样的操作需要得到不同的结果，区别就在于创建 ReadView 的时机，RR 隔离级别只在第一个 select 语句时创建，而 RC 隔离级别则是每一个 select 语句都创建。