数据库原理 - 序列5 - 事务是如何实现的？ - Undo Log解析

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6.6 事务实现原理之2：Undo Log

6.6.1 Undo Log是否一定需要

说到Undo Log，很多人想到的只是“事务回滚”。“事务回滚”有四种场景：
场景1：人为回滚。事务执行到一半时发生异常，客户端调用回滚，通知数据库回滚，数据库回滚成功。
场景 2：宕机回滚。事务执行到一半时数据库宕机，重启，需要回滚。
场景 3：人为回滚 + 宕机回滚。客户端调用回滚，数据库开始回滚数据，回滚到一半时数据库宕机，重启，继续回滚。
场景 4：宕机回滚 + 宕机回滚。宕机重启，在回滚的过程中再次宕机。

对于这四种场景的解决方法，在上文的ARIES算法已经给出了答案，其中要用到Redo和Undo Log。这里扩展一下，除了ARIES算法，是否还有其他的方法可以做事务回滚？或者说，Undo Log是否一定需要？
回滚，就是取消已经执行的操作。无论从物理上取消，还是从逻辑上取消，只要能达到目的即可。假设Page数据都在内存里面，每个事务执行，都只在内存中修改数据，必须等到事务Commit之后写完Redo Log，再把Page数据刷盘。在这种策略下，不需要Undo Log也能实现数据回滚！因为在这种数据刷盘策略下，正好利用了“内存断电消失”的特性，磁盘上存储的全部是已经提交的数据，宕机重启，内存中还未完成的事务自然被一笔勾销了！在这种策略之下，未提交的事务不会进入Redo Log；未提交的事务，也不会刷盘，全都在内存里面。
把这个展开，就是Page数据刷盘的四种策略，如表6-10所示。下面对这四种策略进行详细分析：

表6-10 Page数据刷盘的四种策略

No Steal和Steal：指未提交的事务是否可以写入磁盘中？No Steal是未提交的事务不能写入磁盘，只能在内存中操作，等到事务提交完，再把数据一次性写入；Steal是指未提交的事务也能写入，如果事务需要回滚，再更改磁盘上的数据。
No Force和Force: 是指已经提交的事务是否必须写入磁盘？No Force是指已经提交的事务可以保留在内存里，暂时不用写入磁盘；Force是指已经提交的事务必须强制写入磁盘。

策略1：Force和No Steal。已经提交的事务必须强制写入磁盘，未提交的事务，只能保留在内存里，等事务提交后再写入磁盘，这种策略不需要Redo Log和Undo Log，仅靠数据本身就能实现原子性和持久性。但很显然不可行，未提交的事务不能写入磁盘，这还可以接受；已提交的事务必须强制写入磁盘，这需要多次I/O，性能会受影响，所以才有了RedoLog。

策略2：No Force和No Steal。已提交的事务可以不立即写入磁盘，未提交的事务只能保留在内存里。在这个策略下，只需要Redo Log即可，因为有“内存断电消失”这个天然特性。

策略3：Force/Steal。已提交的事务立即写入磁盘，未提交的事务也立即写入磁盘。这种只需要UndoLog回滚宕机时未提交的事务，不需要Redo Log。但和策略1一样，显然不可行，多次I/O的性能会受影响。

策略4：No Force/Steal。第4种策略是我们最想要的，也是InnoDB实现的策略。就是已经提交的事务可以不立即写入磁盘；未提交的事务可以立即写入磁盘，也可以延迟写入磁盘！再通俗一点，无论事务是否提交，既可以立即写入磁盘，也可以不写，写入磁盘时机任意，想什么时候写就什么时候写。

策略1和策略3因为性能问题不能接受，所以必须要有Redo Log。而策略4和策略2都可以接受，但策略4比策略2好的地方在于提高了I/O效率。因为事务没有提交，就开始写入磁盘，等到提交事务的时候，要写入磁盘的数据量会小，不然要把所有数据都累积到事务提交时再一次性写入磁盘。
也正是因为现代的数据库用的都是第4种，是最灵活的一种数据刷盘策略。在这种策略下，为了实现事务的原子性和持久性，才有了如此复杂的Redo Log和Undo Log机制，才有了上面的ARIES算法。
除了在宕机恢复时对未提交的事务进行回滚，Undo Log还有两个核心作用：
（1）实现ACID中I（隔离性）。
（2）高并发。

6.6.2 Undo Log（MVCC）

在多线程编程中，读写的并发问题有三种策略，如表6-9所示。
表6-11 并发读写的三种策略

在JDK的JUC代码中，有CopyOnWriteArrayList和CopyOnWriteArraySet 两个类，有兴趣的读者可以阅读源码来理解CopyOnWrite的思想。
对比上面表格的三种并发策略可以知道，从上到下，并发度越来越高。而InnoDB用的就是CopyOnWrite思想，是在Undo Log里面实现的。每个事务修改记录之前，都会先把该记录拷贝一份出来，拷贝出来的这个备份存在Undo Log里。因为事务有唯一的编号ID，ID从小到大递增，每一次修改，就是一个版本，因此Undo Log维护了数据的从旧到新的每个版本，各个版本之间的记录通过链表串联。

也正因为每条记录都有多版本，才很容易实现事务ACID属性中的I（隔离性）。事务要并发，多个事务要读写同一条记录，为了实现第二个、第三个隔离级别，就不能让事务读取到正在修改的数据，而只能读取历史版本。
也正因为有了MVCC这种特性，通常的select语句都是不加锁的，读取的全部是数据的历史版本，从而支撑高并发的查询。这种读，专业术语叫作“快照读”，与之相对应的是“当前读”。表6-10列举了快照读和当前读对应的SQL语句，快照读就是最常用的select语句，当前读包括了加锁的select语句和insert/update/delete语句。
表6-12 快照读与当前读对应的SQL语句

6.6.3 Undo Log不是Log

了解Undo Log的功能后，进一步来看Undo Log的结构。其实Undo Log这个词有很大的迷惑性，它其实不是Log，而是数据。为什么这么说？
（1）Undo Log并不像Redo Log一样按照LSN的编号，从小到大依次执行append操作。Undo Log其实没有顺序，多个事务是并行地向Undo Log中随机写入的。
（2）一个事务一旦Commit之后，数据就“固化”了，固化之后不可能再回滚。这意味着Undo Log只在事务Commit过程中有用，一旦事务Commit了，就可以删掉UndoLog。具体来说：
对于insert记录，没有历史版本数据，因此insert的Undo Log只记录了该记录的主键ID，当事务提交之后，该Undo Log就可以删除了；
对于update/delete记录，因为MVCC的存在，其历史版本数据可能还被当前未提交的其他事务所引用，一旦未提交的事务提交了，其对应的Undo Log也就可以删除了。
所以，更应该把UndoLog叫作记录的“备份数据”，即在事务未提交之前的时间里的“备份数据”！提交事务后，没有其他事务引用历史版本了，就可以删除了。

下面来看这个“备份数据”是怎么操作的。如图6-18所示，Page中的每条记录，除了自身的主键ID和数据外，还有两个隐藏字段：一个是修改该记录的事务ID，一个是rollback_ptr，用来串联所有的历史版本。假设该记录被tx_id为68、80、90、100的四个事务修改了四次，该数据就有四个版本，通过rollback_ptr从新到旧串联起来。
然后，三个历史版本分别被其他不同的事务读取。为什么会出现不同的事务读取到不同的版本呢？因为T1、T2最先，此时历史版本3是最新的，还没有历史版本1、2；之后该记录被修改，产生了历史版本2，然后出现了T3；之后该记录又被修改，产生了历史版本1，然后出现了T4。每个事务读取的都是这个事务执行时最新的历史版本。
这些历史版本什么时候可以删除呢？在T1、T2提交之后，历史版本3就可以删除了；在T3提交之后，历史版本2就可以删除了，依此类推。

图6-18 Undo Log逻辑结构
注意：在这里有一个专业名词，叫“回滚段”，很多描述Undo Log的文章花大篇幅描述它。但本书作者不想解释这个名词，因为它不仅不会帮助我们对原理的理解，还会把简单问题复杂化。说得通俗一点，就是修改记录之前先把记录拷贝一份出来，然后拷贝出来的这些历史版本形成一个链表，仅此而已。

6.6.4 Undo Log与Redo Log的关联

Undo Log本身也要写入磁盘，但一个事务修改多条记录，产生多条Undo Log，不可能同步写入磁盘，所以遇到了开篇讲Write-Ahead时的问题。如何解决Undo Log需要多次写入磁盘的效率问题呢？
Redo Log记录的是对数据的修改，凡是对数据的修改，都必须记入Redo Log。可以把Undo Log也当作数据！在内存中记录Undo Log，异步地刷盘，宕机重启，用Redo Log恢复Undo Log。
拿一个事务来举例：

start transaction
  update表1某行记录
  delete表1某行记录
  insert表2某行记录
commit

把Undo Log和Redo Log加进去，此事务类似下面伪代码所示：

start transaction
  写Undo Log1: 备份该行数据（update）
  update表1某行记录
  写Redo Log1
  Undo Log2:备份该行数据（insert）
  delete 表1某行记录
  写Redo Log2
  Undo Log3:该行的主键ID（delete）
  insert表2某行记录
写Redo Log3
commit

在这里，所有Undo Log和Redo Log的写入都可以只在内存中进行，只要保证Commit之后Redo Log落盘即可，Undo Log可以一直保留在内存里，之后异步刷盘。

文章太长，未完待续，接下来的1篇，会继续分析Undo Log。