binlog_redolog_undolog详解

日志是 ​​mysql​​​ 数据库的重要组成部分，记录着数据库运行期间各种状态信息。​​mysql​​日志主要包括错误日志、查询日志、慢查询日志、事务日志、二进制日志几大类。

作为开发，我们重点需要关注的是二进制日志( ​​binlog​​​ )和事务日志(包括​​redo log​​​ 和 ​​undo log​​ )，本文接下来会详细介绍这三种日志。

​​bin log​​

​​binlog​​​ 用于记录数据库执行的写入性操作(不包括查询)信息，以二进制的形式保存在磁盘中。​​binlog​​​ 是 ​​mysql​​​的逻辑日志，并且由 ​​Server​​​ 层进行记录，使用任何存储引擎的 ​​mysql​​​ 数据库都会记录 ​​binlog​​ 日志。

• 逻辑日志：可以简单理解为记录的就是sql语句 。
• 物理日志：​​mysql​​ 数据最终是保存在数据页中的，物理日志记录的就是数据页变更 。

​​binlog​​​ 是通过追加的方式进行写入的，可以通过​​max_binlog_size​​​ 参数设置每个 ​​binlog​​文件的大小，当文件大小达到给定值之后，会生成新的文件来保存日志。

binlog使用场景

在实际应用中， ​​binlog​​ 的主要使用场景有两个，分别是 ​​主从复制​​ 和 数据恢复 。

1. 主从复制：在​​Master​​​ 端开启​​binlog​​​ ，然后将​​binlog​​​发送到各个​​Slave​​​ 端，​​Slave​​​ 端重放​​binlog​​ 从而达到主从数据一致。
2. 数据恢复：通过使用​​mysqlbinlog​​ 工具来恢复数据。

binlog刷盘时机

对于 ​​InnoDB​​​ 存储引擎而言，只有在事务提交时才会记录​​biglog​​​ ，此时记录还在内存中，那么 ​​biglog​​​是什么时候刷到磁盘中的呢？​​mysql​​​ 通过 ​​sync_binlog​​​ 参数控制 ​​biglog​​​ 的刷盘时机，取值范围是 ​​0-N​​：

• 0：不去强制要求，由系统自行判断何时写入磁盘；
• 1：每次 ​​commit​​ 的时候都要将 ​​binlog​​ 写入磁盘；
• N：每N个事务，才会将 ​​binlog​​ 写入磁盘。

从上面可以看出， ​​sync_binlog​​​ 最安全的是设置是 ​​1​​​ ，这也是​​MySQL 5.7.7​​之后版本的默认值。但是设置一个大一些的值可以提升数据库性能，因此实际情况下也可以将值适当调大，牺牲一定的一致性来获取更好的性能。

binlog日志格式

​​binlog​​ 日志有三种格式，分别为 ​​STATMENT​​ 、 ​​ROW​​ 和 ​​MIXED​​。

在 ​​MySQL 5.7.7​​​ 之前，默认的格式是 ​​STATEMENT​​​ ， ​​MySQL 5.7.7​​​ 之后，默认值是 ​​ROW​​​。日志格式通过 ​​binlog-format​​ 指定。

• ​​STATMENT​​​：基于​​SQL​​​ 语句的复制(​​statement-based replication, SBR​​​ )，每一条会修改数据的sql语句会记录到​​binlog​​ 中 。

• 优点：不需要记录每一行的变化，减少了 binlog 日志量，节约了 IO , 从而提高了性能；
• 缺点：在某些情况下会导致主从数据不一致，比如执行sysdate() 、 slepp() 等 。

• ​​ROW​​​：基于行的复制(​​row-based replication, RBR​​ )，不记录每条sql语句的上下文信息，仅需记录哪条数据被修改了 。


• 优点：不会出现某些特定情况下的存储过程、或function、或trigger的调用和触发无法被正确复制的问题 ；
• 缺点：会产生大量的日志，尤其是` alter table ` 的时候会让日志暴涨


• ​​MIXED​​：基于​​STATMENT​​ 和 ​​ROW​​ 两种模式的混合复制(​​mixed-based replication, MBR​​ )，一般的复制使用​​STATEMENT​​ 模式保存 ​​binlog​​ ，对于 ​​STATEMENT​​ 模式无法复制的操作使用 ​​ROW​​ 模式保存 ​​binlog​​

​​redo log​​

为什么需要redo log

我们都知道，事务的四大特性里面有一个是 持久性 ，具体来说就是只要事务提交成功，那么对数据库做的修改就被永久保存下来了，不可能因为任何原因再回到原来的状态 。

那么 ​​mysql​​是如何保证一致性的呢？最简单的做法是在每次事务提交的时候，将该事务涉及修改的数据页全部刷新到磁盘中。但是这么做会有严重的性能问题，主要体现在两个方面：

1. 因为​​Innodb​​​ 是以​​页​​ 为单位进行磁盘交互的，而一个事务很可能只修改一个数据页里面的几个字节，这个时候将完整的数据页刷到磁盘的话，太浪费资源了！
2. 一个事务可能涉及修改多个数据页，并且这些数据页在物理上并不连续，使用随机IO写入性能太差！

因此 ​​mysql​​​ 设计了 ​​redo log​​ ， 具体来说就是只记录事务对数据页做了哪些修改，这样就能完美地解决性能问题了(相对而言文件更小并且是顺序IO)。

redo log基本概念

​​redo log​​ 包括两部分：一个是内存中的日志缓冲( ​​redo log buffer​​ )，另一个是磁盘上的日志文件( ​​redo logfile​​)。​​mysql​​​ 每执行一条 ​​DML​​​ 语句，先将记录写入 ​​redo log buffer​​​，后续某个时间点再一次性将多个操作记录写到 ​​redo log file​​。这种 先写日志，再写磁盘 的技术就是 ​​MySQL​​

里经常说到的 ​​WAL(Write-Ahead Logging)​​​ 技术。在计算机操作系统中，用户空间( ​​user space​​ )下的缓冲区数据一般情况下是无法直接写入磁盘的，中间必须经过操作系统内核空间( ​​kernel space​​ )​​缓冲区​​( ​​OS Buffer​​​ )。因此， ​​redo log buffer​​​ 写入 ​​redo logfile​​​ 实际上是先写入 ​​OS Buffer​​​ ，然后再通过系统调用 ​​fsync()​​​ 将其刷到 ​​redo log file​​

中，过程如下：

​​mysql​​​ 支持三种将 ​​redo log buffer​​​ 写入 ​​redo log file​​​ 的时机，可以通过 ​​innodb_flush_log_at_trx_commit​​ 参数配置，各参数值含义如下：

redo log记录形式

前面说过， ​​redo log​​​ 实际上记录数据页的变更，而这种变更记录是没必要全部保存，因此 ​​redo log​​实现上采用了大小固定，循环写入的方式，当写到结尾时，会回到开头循环写日志。如下图：

同时我们很容易得知， 在innodb中，既有​​redo log​​​ 需要刷盘，还有 ​​数据页​​​ 也需要刷盘， ​​redo log​​​存在的意义主要就是降低对 ​​数据页​​​ 刷盘的要求 ** 。在上图中， ​​write pos​​​ 表示 ​​redo log​​​ 当前记录的 ​​LSN​​​ (逻辑序列号)位置， ​​check point​​ 表示 数据页更改记录 刷盘后对应 ​​redo log​​​ 所处的 ​​LSN​​(逻辑序列号)位置。​​write pos​​ 到 ​​check point​​ 之间的部分是 ​​redo log​​ 空着的部分，用于记录新的记录；​​check point​​ 到 ​​write pos​​ 之间是 ​​redo log​​ 待落盘的数据页更改记录。当 ​​write pos​​​追上​​check point​​​ 时，会先推动 ​​check point​​​ 向前移动，空出位置再记录新的日志。启动 ​​innodb​​​ 的时候，不管上次是正常关闭还是异常关闭，总是会进行恢复操作。因为 ​​redo log​​​记录的是数据页的物理变化，因此恢复的时候速度比逻辑日志(如 ​​binlog​​ )要快很多。重启​​innodb​​ 时，首先会检查磁盘中数据页的 ​​LSN​​ ，如果数据页的​​LSN​​ 小于日志中的 ​​LSN​​ ，则会从 ​​checkpoint​​ 开始恢复。还有一种情况，在宕机前正处于​​checkpoint​​ 的刷盘过程，且数据页的刷盘进度超过了日志页的刷盘进度，此时会出现数据页中记录的 ​​LSN​​ 大于日志中的 ​​LSN​​，这时超出日志进度的部分将不会重做，因为这本身就表示已经做过的事情，无需再重做。

redo log与binlog区别

由 ​​binlog​​​ 和 ​​redo log​​​ 的区别可知：​​binlog​​​ 日志只用于归档，只依靠 ​​binlog​​​ 是没有 ​​crash-safe​​​ 能力的。但只有 ​​redo log​​​ 也不行，因为 ​​redo log​​​ 是 ​​InnoDB​​​特有的，且日志上的记录落盘后会被覆盖掉。因此需要 ​​binlog​​​和 ​​redo log​​二者同时记录，才能保证当数据库发生宕机重启时，数据不会丢失。

​​undo log​​

数据库事务四大特性中有一个是 原子性 ，具体来说就是 原子性是指对数据库的一系列操作，要么全部成功，要么全部失败，不可能出现部分成功的情况。实际上， 原子性 底层就是通过 ​​undo log​​​ 实现的。​​undo log​​​主要记录了数据的逻辑变化，比如一条 ​​INSERT​​​ 语句，对应一条​​DELETE​​​ 的 ​​undo log​​​ ，对于每个 ​​UPDATE​​​ 语句，对应一条相反的 ​​UPDATE​​​ 的 ​​undo log​​​ ，这样在发生错误时，就能回滚到事务之前的数据状态。同时， ​​undo log​​​ 也是 ​​MVCC​​(多版本并发控制)实现的关键。

为什么 redo log 具有 crash-safe 的能力，是 binlog 无法替代的？

为什么 redo log 具有 crash-safe 的能力，而 binlog 没有？
redo log 是什么？

一个固定大小，“循环写”的日志文件，记录的是物理日志——“在某个数据页上做了某个修改”。

binlog 是什么？

一个无限大小，“追加写”的日志文件，记录的是逻辑日志——“给 ID=2 这一行的 c 字段加1”。

redo log 和 binlog 有一个很大的区别就是，一个是循环写，一个是追加写。也就是说 redo log 只会记录未刷盘的日志，已经刷入磁盘的数据都会从 redo log 这个有限大小的日志文件里删除。binlog 是追加日志，保存的是全量的日志。

当数据库 crash 后，想要恢复未刷盘但已经写入 redo log 和 binlog 的数据到内存时，binlog 是无法恢复的。虽然 binlog 拥有全量的日志，但没有一个标志让 innoDB 判断哪些数据已经刷盘，哪些数据还没有。

举个栗子，binlog 记录了两条日志：

给 ID=2 这一行的 c 字段加1
给 ID=2 这一行的 c 字段加1
在记录1刷盘后，记录2未刷盘时，数据库 crash。重启后，只通过 binlog 数据库无法判断这两条记录哪条已经写入磁盘，哪条没有写入磁盘，不管是两条都恢复至内存，还是都不恢复，对 ID=2 这行数据来说，都不对。

但 redo log 不一样，只要刷入磁盘的数据，都会从 redo log 中抹掉，数据库重启后，直接把 redo log 中的数据都恢复至内存就可以了。这就是为什么 redo log 具有 crash-safe 的能力，而 binlog 不具备。

当数据库 crash 后，如何恢复未刷盘的数据到内存中？
根据 redo log 和 binlog 的两阶段提交，未持久化的数据分为几种情况：

change buffer 写入，redo log 虽然做了 fsync 但未 commit，binlog 未 fsync 到磁盘，这部分数据丢失。
change buffer 写入，redo log fsync 未 commit，binlog 已经 fsync 到磁盘，先从 binlog 恢复 redo log，再从 redo log 恢复 change buffer。
change buffer 写入，redo log 和 binlog 都已经 fsync，直接从 redo log 里恢复。

作者：你的雷哥

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