讲讲MySQL Innodb ACID 的实现原理

发布于 2022-4-20 16:52
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作者 | 小汪哥写代码
来源 | 小汪哥(ID:xwgcoding)

本文主要探讨MySQL InnoDB 引擎下ACID的实现原理,对于诸如什么是事务,隔离级别的含义等知识请看我前面mysql 系列的文章。

ACID

MySQL 作为一个关系型数据库,以最常见的 InnoDB 引擎来说,是如何保证 ACID 的。

  • (Atomicity)原子性:事务是最小的执行单位,不允许分割。原子性确保动作要么全部完成,要么完全不起作用;
  • (Consistency)一致性:执行事务前后,数据保持一致;
  • (Isolation)隔离性:并发访问数据库时,一个事务不被其他事务所干扰。
  • (Durability)持久性: 一个事务被提交之后。对数据库中数据的改变是持久的,即使数据库发生故障。

隔离性

隔离性主要是 锁 和 MVCC 实现的。这个也可以看我前面mysql 系列的文章,这里就不在赘述了。

原子性

MySQL的日志有很多种,如二进制日志、错误日志、查询日志、慢查询日志等,此外InnoDB存储引擎还提供了两种事务日志:

redo log(重做日志)和undo log(回滚日志)。其中redo log用于保证事务持久性;

undo log则是事务原子性和隔离性实现的基础。

undo log ,回滚日志。我们知道隔离性的MVCC就是依靠它来实现的,原子性也是。实现原子性的关键,是当事务回滚时能够撤销所有已经成功执行的sql语句。

当事务对数据库进行修改时,InnoDB会生成对应的 undo log;如果事务执行失败或调用了 rollback,导致事物需要回滚,便可以利用 undo log 中的信息将数据回滚到修改之前的样子。undo log 属于逻辑日志,它记录的是sql执行相关的信息。当发生回滚时,InnoDB 会根据 undo log 的内容做与之前相反的工作:

  • 对于每个 insert,回滚时会执行 delete;
  • 对于每个 delete,回滚时会执行insert;
  • 对于每个 update,回滚时会执行一个相反的 update,把数据改回去。

以update操作为例:当事务执行update时,其生成的undo log中会包含被修改行的主键(以便知道修改了哪些行)、修改了哪些列、这些列在修改前后的值等信息,回滚时便可以使用这些信息将数据还原到update之前的状态。

持久性

上面讲到Innnodb有很多 log,持久性靠的是 redo log。

读数据:会首先从缓冲池中读取,如果缓冲池中没有,则从磁盘读取在放入缓冲池;

写数据:会首先写入缓冲池,缓冲池中的数据会定期同步到磁盘中(会产生脏读);

于是 redo log就派上用场了。

既然redo log也需要存储,也涉及磁盘IO为啥还用它?

1、redo log 的存储是顺序存储,而缓存同步是随机操作。

2、缓存同步是以数据页为单位的,每次传输的数据大小大于redo log。

redo log采用的是WAL(Write-ahead logging,预写式日志),所有修改先写入日志,再更新到Buffer Pool,保证了数据不会因MySQL宕机而丢失,从而满足了持久性要求。

既然redo log也需要在事务提交时将日志写入磁盘,为什么它比直接将Buffer Pool中修改的数据写入磁盘(即刷脏)要快呢?主要有以下两方面的原因:

1、刷脏是随机IO,因为每次修改的数据位置随机,但写redo log是追加操作,属于顺序IO。

2、刷脏是以数据页(Page)为单位的,MySQL默认页大小是16KB,一个Page上一个小修改都要整页写入;而redo log中只包含真正需要写入的部分,无效IO大大减少。

redo log 与binlog的区别:

1、作用不同:redo log是用于crash recovery的,保证MySQL宕机也不会影响持久性;binlog是用于point-in-time recovery的,保证服务器可以基于时间点恢复数据,此外binlog还用于主从复制。

2、层次不同:redo log是InnoDB存储引擎实现的,而binlog是MySQL的服务器层(可以参考文章前面对MySQL逻辑架构的介绍)实现的,同时支持InnoDB和其他存储引擎。

3、内容不同:redo log是物理日志,内容基于磁盘的Page;binlog的内容是二进制的,根据binlog_format参数的不同,可能基于sql语句、基于数据本身或者二者的混合。

4、写入时机不同:binlog在事务提交时写入;redo log的写入时机相对多元:

默认刷盘策略:当事务提交时会调用fsync对redo log进行刷盘;修改innodb_flush_log_at_trx_commit参数可以改变该策略,但事务的持久性将无法保证。

其他刷盘时机:如master thread每秒刷盘一次redo log等,这样的好处是不一定要等到commit时刷盘,commit速度大大加快。

我们看看一条SQL更新语句怎么运行的:

比如:

update t set age=20 where id=1; 讲讲MySQL  Innodb ACID 的实现原理-开源基础软件社区

持久性肯定和写有关,MySQL 用到了 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。

[redo log]

redo log 就是这个日志,当有一条记录要更新时,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log(并更新内存),这个时候更新就算完成了。在适当的时候(上文提到的刷盘时机),将这个操作记录更新到磁盘里面,redo log 有两个特点:

  • 大小固定,循环写
  • crash-safe(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)

对于redo log 是有两阶段的:commit 和 prepare 如果不使用“两阶段提交”,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.

[Buffer Pool]

Buffer Pool 中包含了磁盘中部分数据页的映射,作为访问数据库的缓冲:

  • 当读取数据时,会先从Buffer Pool中读取,如果Buffer Pool中没有,则从磁盘读取后放入Buffer Pool;
  • 当向数据库写入数据时,会首先写入Buffer Pool,Buffer Pool中修改的数据会定期刷新到磁盘中。

Buffer Pool 的使用大大提高了读写数据的效率,但是也带了新的问题:如果MySQL宕机,而此时 Buffer Pool 中修改的数据还没有刷新到磁盘,就会导致数据的丢失,事务的持久性无法保证。

所以加入了 redo log。 当数据修改时,除了修改Buffer Pool中的数据,还会在redo log记录这次操作;

当事务提交时,会调用fsync接口对redo log进行刷盘。

如果MySQL宕机,重启时可以读取redo log中的数据,对数据库进行恢复。

一致性

一致性是事务追求的最终目标,实现一致性的措施包括:

  • 保证原子性、持久性和隔离性,如果这些特性无法保证,事务的一致性也无法保证.
  • 数据库本身提供保障,例如不允许向整形列插入字符串值、字符串长度不能超过列的限制等
  • 应用层面进行保障,例如如果转账操作只扣除转账者的余额,而没有增加接收者的余额,无论数据库实现的多么完美,也无法保证状态的一致.

CAP 和ACID中的一致性

CAP 定理中的数据一致性,其实是说分布式系统中的各个节点中对于同一数据的拷贝有着相同的值;而 ACID 中的一致性是指数据库的规则,如果 schema 中规定了一个值必须是唯一的,那么一致的系统必须确保在所有的操作中,该值都是唯一的,由此来看 CAP 和 ACID 对于一致性的定义有着根本性的区别。

总结

事务的 ACID 四大基本特性是保证数据库能够运行的基石,但是完全保证数据库的 ACID,尤其是隔离性会对性能有比较大影响,在实际的使用中我们也会根据业务的需求对隔离性进行调整,除了隔离性,数据库的原子性和持久性相信都是比较好理解的特性,前者保证数据库的事务要么全部执行、要么全部不执行,后者保证了对数据库的写入都是持久存储的、非易失的,而一致性不仅是数据库对本身数据的完整性的要求,同时也对开发者提出了要求 - 写出逻辑正确并且合理的事务。

最后,也是最重要的,当别人在讲一致性的时候,一定要搞清楚他的上下文。

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