更新语句执行流程

下面是这个表的创建语句,这个表有一个主键 ID 和一个整型字段 c:

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create table T(ID int primary key, c int);

如果要将 ID=2 这一行的值加 1,SQL 语句就会这么写:

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update T set c=c+1 where ID=2;

前面我有跟你介绍过 SQL 语句基本的执行链路,这里我再把那张图拿过来,你也可以先简单看看这个图回顾下。首先,可以确定的说,查询语句的那一套流程,更新语句也是同样会走一遍。

  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)。

为什么要有两份日志系统?

因为最开始 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。

update 语句的执行流程图,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。

两阶段提交

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。

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发生了 crash,会出现什么情况呢?

  1. **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。
  2. **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。

简单说,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。

参考文章