MySQL · 引擎特性 · InnoDB undo log 漫游

本文是对整个Undo生命周期过程的阐述，代码分析基于当前最新的MySQL5.7版本。本文也可以作为了解整个Undo模块的代码导读。由于涉及到的模块众多，因此部分细节并未深入。

前言

Undo log是InnoDB MVCC事务特性的重要组成部分。当我们对记录做了变更操作时就会产生undo记录，Undo记录默认被记录到系统表空间(ibdata)中，但从5.6开始，也可以使用独立的Undo 表空间。

Undo记录中存储的是老版本数据，当一个旧的事务需要读取数据时，为了能读取到老版本的数据，需要顺着undo链找到满足其可见性的记录。当版本链很长时，通常可以认为这是个比较耗时的操作（例如bug#69812）。

大多数对数据的变更操作包括INSERT/DELETE/UPDATE，其中INSERT操作在事务提交前只对当前事务可见，因此产生的Undo日志可以在事务提交后直接删除（谁会对刚插入的数据有可见性需求呢！！），而对于UPDATE/DELETE则需要维护多版本信息，在InnoDB里，UPDATE和DELETE操作产生的Undo日志被归成一类，即update_undo。

基本文件结构

为了保证事务并发操作时，在写各自的undo log时不产生冲突，InnoDB采用回滚段的方式来维护undo log的并发写入和持久化。回滚段实际上是一种 Undo 文件组织方式，每个回滚段又有多个undo log slot。具体的文件组织方式如下图所示：

上图展示了基本的Undo回滚段布局结构，其中:

1. rseg0预留在系统表空间ibdata中;
2. rseg 1~rseg 32这32个回滚段存放于临时表的系统表空间中;
3. rseg33~ 则根据配置存放到独立undo表空间中（如果没有打开独立Undo表空间，则存放于ibdata中）

如果我们使用独立Undo tablespace，则总是从第一个Undo space开始轮询分配undo 回滚段。大多数情况下这是OK的，但假设我们将回滚段的个数从33开始依次递增配置到128，就可能导致所有的回滚段都存放在同一个undo space中。(参考函数trx_sys_create_rsegs 以及 bug#74471)

每个回滚段维护了一个段头页，在该page中又划分了1024个slot(TRX_RSEG_N_SLOTS)，每个slot又对应到一个undo log对象，因此理论上InnoDB最多支持 96 * 1024个普通事务。

关键结构体

为了便于管理和使用undo记录，在内存中维持了如下关键结构体对象：

1. 所有回滚段都记录在trx_sys->rseg_array，数组大小为128，分别对应不同的回滚段；
2. rseg_array数组类型为trx_rseg_t，用于维护回滚段相关信息；
3. 每个回滚段对象trx_rseg_t还要管理undo log信息，对应结构体为trx_undo_t，使用多个链表来维护trx_undo_t信息;
4. 事务开启时，会专门给他指定一个回滚段，以后该事务用到的undo log页，就从该回滚段上分配;
5. 事务提交后，需要purge的回滚段会被放到purge队列上(purge_sys->purge_queue)。

各个结构体之间的联系如下：

分配回滚段

当开启一个读写事务时（或者从只读事务转换为读写事务），我们需要预先为事务分配一个回滚段：

对于只读事务，如果产生对临时表的写入，则需要为其分配回滚段，使用临时表回滚段（第1~32号回滚段），函数入口：trx_assign_rseg -->trx_assign_rseg_low-->get_next_noredo_rseg。

在MySQL5.7中事务默认以只读事务开启，当随后判定为读写事务时，则转换成读写模式，并为其分配事务ID和回滚段，调用函数：trx_set_rw_mode -->trx_assign_rseg_low --> get_next_redo_rseg。

普通回滚段的分配方式如下：

1. 采用round-robin的轮询方式来赋予回滚段给事务，如果回滚段被标记为skip_allocation（这个undo tablespace太大了，purge线程需要对其进行truncate操作），则跳到下一个；
2. 选择一个回滚段给事务后，会将该回滚段的rseg->trx_ref_count递增，这样该回滚段所在的undo tablespace文件就不可以被truncate掉；
3. 临时表回滚段被赋予trx->rsegs->m_noredo，普通读写操作的回滚段被赋予trx->rsegs->m_redo；如果事务在只读阶段使用到临时表，随后转换成读写事务，那么会为该事务分配两个回滚段。

使用回滚段

当产生数据变更时，我们需要使用Undo log记录下变更前的数据以维护多版本信息。insert 和 delete/update 分开记录undo，因此需要从回滚段单独分配Undo slot。

入口函数：trx_undo_report_row_operation

流程如下：

1. 判断当前变更的是否是临时表，如果是临时表，则采用临时表回滚段来分配，否则采用普通的回滚段；
2. 临时表操作记录undo时不写redo log；
3. 操作类型为TRX_UNDO_INSERT_OP，且未分配insert undo slot时，调用函数trx_undo_assign_undo进行分配；
4. 操作类型为TRX_UNDO_MODIFY_OP，且未分配Update undo slot时，调用函数trx_undo_assign_undo进行分配。

我们来看看函数trx_undo_assign_undo的流程：

1. 首先总是从cahced list上分配trx_undo_t （函数trx_undo_reuse_cached，当满足某些条件时，事务提交时会将其拥有的trx_undo_t放到cached list上，这样新的事务可以重用这些undo 对象，而无需去扫描回滚段，寻找可用的slot，在后面的事务提交一节会介绍到）；
   • 对于INSERT，从trx_rseg_t::insert_undo_cached上获取，并修改头部重用信息（trx_undo_insert_header_reuse）及预留XID空间（trx_undo_header_add_space_for_xid）
   • 对于DELETE/UPDATE，从trx_rseg_t::update_undo_cached上获取， 并在undo log hdr page上创建新的Undo log header(trx_undo_header_create)，及预留XID存储空间（trx_undo_header_add_space_for_xid）
   • 获取到trx_undo_t对象后，会从cached list上移除掉。并初始化trx_undo_t相关信息（trx_undo_mem_init_for_reuse），将trx_undo_t::state设置为TRX_UNDO_ACTIVE

2. 如果没有cache的trx_undo_t，则需要从回滚段上分配一个空闲的undo slot（trx_undo_create），并创建对应的undo页，进行初始化；

   一个回滚段可以支持1024个事务并发，如果不幸回滚段都用完了（通常这几乎不会发生），会返回错误DB_TOO_MANY_CONCURRENT_TRXS

   每一个Undo log segment实际上对应一个独立的段，段头的起始位置在UNDO 头page的TRX_UNDO_SEG_HDR+TRX_UNDO_FSEG_HEADER偏移位置（见下图）

3. 已分配给事务的trx_undo_t会加入到链表trx_rseg_t::insert_undo_list或者trx_rseg_t::update_undo_list上；

4. 如果是数据词典操作（DDL）产生的undo，主要是表级别操作，例如创建或删除表，还需要记录操作的table id到undo log header中(TRX_UNDO_TABLE_ID)，同时将TRX_UNDO_DICT_TRANS设置为TRUE。(trx_undo_mark_as_dict_operation)。

总的来说，undo header page主要包括如下信息：

如何写入undo日志

入口函数：trx_undo_report_row_operation

当分配了一个undo slot，同时初始化完可用的空闲区域后，就可以向其中写入undo记录了。写入的page no取自undo->last_page_no，初始情况下和hdr_page_no相同。

对于INSERT_UNDO，调用函数trx_undo_page_report_insert进行插入，记录格式大致如下图所示：

对于UPDATE_UNDO，调用函数trx_undo_page_report_modify进行插入，UPDATE UNDO的记录格式大概如下图所示：

在写入的过程中，可能出现单页面空间不足的情况，导致写入失败，我们需要将刚刚写入的区域清空重置(trx_undo_erase_page_end)，同时申请一个新的page(trx_undo_add_page) 加入到undo log段上，同时将undo->last_page_no指向新分配的page，然后重试。

完成Undo log写入后，构建新的回滚段指针并返回（trx_undo_build_roll_ptr），回滚段指针包括undo log所在的回滚段id、日志所在的page no、以及page内的偏移量，需要记录到聚集索引记录中。