數據庫原理 - 序列4 - 事務是如何實現的？ - Redo Log解析（續）
> 本文節選自《軟件架構設計：大型網站技術架構與業務架構融合之道》第6.4章節。 作者微信公眾號：
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## 6.5.5 Redo Log Block結構
Log Block還需要有Check sum的字段，另外還有一些頭部字段。事務可大可小，可能一個Block存不下產生的日誌數據，也可能一個Block能存下多個事務的數據。所以在Block裏面，得有字段記錄這種偏移量。
圖6-9展示了一個Redo Log Block的詳細結構，頭部有12字節，尾部Check sum有4個字節，所以實際一個Block能存的日誌數據只有496字節。
圖6-9 Redo Log Block詳細結構
頭部4個字段的含義分別如下：
Block No：每個Block的唯一編號，可以由LSN換算得到。
Date Len：該Block中實際日誌數據的大小，可能496字節沒有存滿。
First Rec Group：該Block中第一條日誌的起始位置，可能因為上一條日誌很大，上一個Block沒有存下，日誌的部分數據到了當前的Block。如果First Rec Group = Data Len，則說明上一條日誌太大，大到橫跨了上一個Block、當前Block、下一個Block，當前Block中沒有新日誌。
## 6.5.6 事務、LSN與Log Block的關系
知道了Redo Log的結構，下面從一個事務的提交開始分析，看事務和對應的Redo Log之間的關聯關系。假設有一個事務，偽代碼如下：
start transaction
update 表1某行記錄
delete 表1某行記錄
insert 表2某行記錄
commit
其產生的日誌，如圖6-10所示。應用層所說的事務都是“邏輯事務”，具體到底層實現，是“物理事務”，也叫作Mini Transaction（Mtr）。在邏輯層面，事務是三條SQL語句，涉及兩張表；在物理層面，可能是修改了兩個Page（當然也可能是四個Page，五個Page……），每個Page的修改對應一個Mtr。每個Mtr產生一部分日誌，生成一個LSN。
圖6-11展示了兩個邏輯事務，其對應的Redo Log在磁盤上的排列示意圖。可以看到，LSN是單調遞增的，但是兩個事務對應的日誌是交叉排列的。
圖6-10 事務與產生的Redo Log對應關系
圖6-11 兩個邏輯事務的Redo Log在磁盤上排列示意圖
同一個事務的多條LSN日誌也會通過鏈表串聯，最終數據結構類似表6-9。其中，TxID是InnoDB為每個事務分配的一個唯一的ID，是一個單調遞增的整數。
表6-9 Redo Log與LSN和事務的關系
## 6.5.7 事務Rollback與崩潰恢復（ARIES算法）
**1．未提交事務的日誌也在Redo Log中**
通過上面的分析，可以看到不同事務的日誌在Redo Log中是交叉存在的，這意味著未提交的事務也在Redo Log中！因為日誌是交叉存在的，沒有辦法把已提交事務的日誌和未提交事務的日誌分開，或者說前者刷到磁盤的Redo Log上面，後者不刷。比如圖6-11的場景，邏輯事務1提交了，要把邏輯事務1的Redo Log刷到磁盤上，但中間夾雜的有邏輯事務2的部分Redo Log，邏輯事務2此時還沒有提交，但其日誌會被“連帶”地刷到磁盤上。
所以這是ARIES算法的一個關鍵點，不管事務有沒有提交，其日誌都會被記錄到Redo Log上。當崩潰後再恢復的時候，會把Redo Log全部重放一遍，提交的事務和未提交的事務，都被重放了，從而讓數據庫“原封不動”地回到宕機之前的狀態，這叫Repeating History。
重放完成後，再把宕機之前未完成的事務找出來。這就有個問題，怎麽把宕機之前未完成的事務全部找出來？這點講Checkpoint時會詳細介紹。
把未完成的事務找出來後，逐一利用Undo Log回滾。
**2．Rollback轉化為Commit**
回滾是把未提交事務的Redo Log刪了嗎？顯然不是。在這裏用了一個巧妙的轉化方法，把回滾轉化成為提交。
如圖6-12所示，客戶端提交了Rollback，數據庫並沒有更改之前的數據，而是以相反的方向生成了三個新的SQL語句，然後Commit，所以是邏輯層面上的回滾，而不是物理層面的回滾。
圖6-12 一個Rollback事務被轉換為Commit事務示意圖
同樣，如果宕機時一個事務執行了一半，在重啟、回滾的時候，也並不是刪除之前的部分，而是以相反的操作把這個事務“補齊”，然後Commit，如圖6-13所示。
圖6-13 宕機未完成的事務被轉換成Commit事務
這樣一來，事務的回滾就變得簡單了，不需要改之前的數據，也不需要改Redo Log。相當於沒有了回滾，全部都是Commit。對於Redo Log來說，就是不斷地append。這種逆向操作的SQL語句對應到Redo Log裏面，叫作Compensation Log Record（CLR），會和正常操作的SQL的Log區分開。
**3．ARIES恢復算法**
如圖6-14所示，有T0～T5共6個事務，每個事務所在的線段代表了在Redo Log中的起始和終止位置。發生宕機時，T0、T1、T2已經完成，T3、T4、T5還在進行中，所以回滾的時候，要回滾T3、T4、T5。
圖6-14 ARIES算法示意圖
ARIES算法分為三個階段：
**（1）階段1：分析階段**
分析階段，要解決兩個核心問題。
第一，確定哪些數據頁是臟頁，為階段2的Redo做準備。發生宕機時，雖然T0、T1、T2已經提交了，但只是Redo Log在磁盤上，其對應的數據Page是否已經刷到磁盤上不得而知。如何找出從Checkpoint到Crash之前，所有未刷盤的Page呢？
第二，確定哪些事務未提交，為階段3的Undo做準備。未提交事務的日誌也寫入了Redo Log。對應到此圖，就是T3、T4、T5的部分日誌也在Redo Log中。如何判斷出T3、T4、T5未提交，然後對其回滾呢？
這就要談到ARIES的Checkpoint機制。Checkpoint是每隔一段時間對內存中的數據拍一個“快照”，或者說把內存中的數據“一次性”地刷到磁盤上去。但實際上這做不到！因為在把內存中所有的臟頁往磁盤上刷的時候，數據庫還在不斷地接受客戶端的請求，這些臟頁一直在更新。除非把系統阻塞住，不再接受前端的請求，這時Redo Log也不再增長，然後一次性把所有的臟頁刷到磁盤中，叫作Sharp Checkpoint。
Sharp Checkpoint的應用場景很狹窄，因為系統不可能停下來，所以用的更多的是Fuzzy Checkpoint，具體怎麽做呢？
在內存中，維護了兩個關鍵的表：活躍事務表（表6-10）和臟頁表（表6-11）。
活躍事務表是當前所有未提交事務的集合，每個事務維護了一個關鍵變量lastLSN，是該事務產生的日誌中最後一條日誌的LSN。
表6-10 活躍事務表
臟頁表是當前所有未刷到磁盤上的Page的集合（包括了已提交的事務和未提交的事務），recoveryLSN是導致該Page為臟頁的最早的LSN。比如一個Page本來是clean的（內存和磁盤上數據一致），然後事務1修改了它，對應的LSN是LSN1；之後事務2、事務3又修改了它，對應的LSN分別是LSN2、LSN3，這裏recoveryLSN取的就是LSN1。
表6-11 臟頁表
所謂的Fuzzy Checkpoint，就是對這兩個關鍵表做了一個Checkpoint，而不是對數據本身做Checkpoint。這點非常巧妙！因為Page本身很多、數據量大，但這兩個表記錄的全是ID，數據量很小，很容易備份。
所以，每一次Fuzzy Checkpoint，就把兩個表的數據生成一個快照，形成一條Checkpoint日誌，記入Redo Log。
基於這兩個關鍵表，可以求取兩個問題：
問題（1）：求取Crash的時候，未提交事務的集合。
以圖6-14為例，在最近的一次Checkpoint 2時候，未提交事務集合是{T2，T3}，此時還沒有T4、T5。從此處開始，遍歷Redo Log到末尾。
在遍歷的過程中，首先遇到了T2的結束標識，把T2從集合中移除，剩下{T3}；
之後遇到了事務T4的開始標識，把T4加入集合，集合變為{T3，T4}；
之後遇到了事務T5的開始標識，把T5加入集合，集合變為{T3，T4，T5}。
最終直到末尾，沒有遇到{T3，T4，T5}的結束標識，所以未提交事務是{T3，T4，T5}。
圖6-15展示了事務的開始標識、結束標識以及Checkpoint在Redo Log中的排列位置。其中的S表示Start transaction，事務開始的日誌記錄；C表示Commit，事務結束的日誌記錄。每隔一段時間，做一次Checkpoint，會插入一條Checkpoint日誌。Checkpoint日誌記錄了Checkpoint時所對應的活躍事務的列表和臟頁列表（臟頁列表在圖中未展示）。
問題（2）：求取Crash的時候，所有未刷盤的臟頁集合。
假設在Checkpoint2的時候，臟頁的集合是{P1，P2}。從Checkpoint開始，一直遍歷到Redo Log末尾，一旦遇到Redo Log操作的是新的Page，就把它加入臟頁集合，最終結果可能是{P1，P2，P3，P4}。
這裏有個關鍵點：從Checkpoint2到Crash，這個集合會只增不減。可能P1、P2在Checkpoint之後已經不是臟頁了，但把它認為是臟頁也沒關系，因為Redo Log是冪等的。
圖6-15 事務在Redo Log上排列示意圖
階段2：進行Redo
假設最後求出來的臟頁集合是{P1，P2，P3，P4，P5}。在這個集合中，可能都是真的臟頁，也可能是已經刷盤了。取集合中所有臟頁的recoveryLSN的最小值，得到firstLSN。從firstLSN遍歷Redo Log到末尾，把每條Redo Log對應的Page全部重刷一次磁盤。
關鍵是如何做冪等？磁盤上的每個Page有一個關鍵字段——pageLSN。這個LSN記錄的是這個Page刷盤時最後一次修改它的日誌對應的LSN。如果重放日誌的時候，日誌的LSN <= pageLSN，則不修改日誌對應的Page，略過此條日誌。
如圖6-16所示，Page1被多個事務先後修改了三次，在Redo Log的時間線上，分別對應的日誌的LSN為600、900、1000。當前在內存中，Page1的pageLSN = 1000（最新的值），因為還沒來得及刷盤，所以磁盤中Page1的pageLSN = 900（上一次的值）。現在，宕機重啟，從LSN=600的地方開始重放，從磁盤上讀出來pageLSN = 900，所以前兩條日誌會直接過濾掉，只有LSN = 1000的這條日誌對應的修改操作，會被作用到Page1中。
圖6-16 pageLSN實現Redo Log冪等示意圖
這點與TCP在接收端對數據包的判重有異曲同工之妙！在TCP中，是對發送的數據包從小到大編號（seq number），這裏是對所有日誌從小到大編號（LSN），接收的一方發現收到的日誌編號比之前的還要小，就說明不用重做了。
有了這種判重機制，我們就實現了Redo Log重放時的冪等。從而可以從firstLSN開始，將所有日誌全部重放一遍，這裏面包含了已提交事務和未提交事務的日誌，也包含對應的臟頁或者幹凈的頁。
Redo完成後，就保證了所有的臟頁都成功地寫入到了磁盤，幹凈頁也可能重新寫入了一次。並且未提交事務T3、T4、T5對應的Page數據也寫入了磁盤。接下來，就是要對T3、T4、T5回滾。
階段3：進行Undo
在階段1，我們已經找出了未提交事務集合{T3，T4，T5}。從最後一條日誌逆向遍歷，因為每條日誌都有一個prevLSN字段，所以可以沿著T3、T4、T5各自的日誌鏈一直回溯，最終直到T3的第一條日誌。
所謂的Undo，是指每遇到一條屬於T3、T4、T5的Log，就生成一條逆向的SQL語句來執行，其執行對應的Redo Log是Compensation Log Record（CLR），會在Redo Log尾部繼續追加。所以對於Redo Log來說，其實不存在所謂的“回滾”，全部是正向的Commit，日誌只會追加，不會執行“物理截斷”之類的操作。
要生成逆向的SQL語句，需要記錄對應的歷史版本數據，這點將在分析Undo Log的時候詳細解釋。
這裏要註意的是：Redo的起點位置和Undo的起點位置並沒有必然的先後關系，圖中畫的是Undo的起點位置小於Redo的起點位置，但實際也可以反過來。以為Redo對應的是所有臟頁的最小LSN，Undo對應的是所有未提交事務的起始LSN，兩者不是同一個維度的概念。
在進行Undo操作的時候，還可能會遇到一個問題，回滾到一半，宕機，重啟，再回滾，要進行“回滾的回滾”。
如圖6-17所示，假設要回滾一個未提交的事務T，其有三條日誌LSN分別為600、900、1000。第一次宕機重啟，首先對LSN=1000進行回滾，生成對應的LSN=1200的日誌，這條日誌裏會有一個字段叫作UndoNxtLSN，記錄的是其對應的被回滾的日誌的前一條日誌，即UndoNxtLSN = 900。這樣當再一次宕機重啟時，遇到LSN=1200的CLR，首先會忽略這條日誌；然後看到UndoNxtLSN = 900，會定位到LSN=900的日誌，為其生成對應的CLR日誌LSN=1600；然後繼續回滾，LSN=1700的日誌，回滾的是LSN=600。
這樣，不管出現幾次宕機，重啟後最終都能保證回滾日誌和之前的日誌一一對應，不會出現“回滾嵌套”問題。
圖6-17 回滾過程中出現宕機後再次重啟回滾
到此為止，已經對事務的A（原子性）和D（持久性）有了一個全面的理解，接下來將討論I的實現。在此先對Redo Log做一個總結：
(1) 一個事務對應多條Redo Log，事務的Redo Log不是連續存儲的。
(2) Redo Log不保證事務的原子性，而是保證了持久性。無論提交的，還是未提交事務的日誌，都會進入Redo Log。從而使得Redo Log回放完畢，數據庫就恢復到宕機之前的狀態，稱為Repeating History。
(3) 同時，把未提交的事務挑出來並回滾。回滾通過Checkpoint記錄的“活躍事務表”+ 每個事務日誌中的開始/結束標記 + Undo Log 來實現。
(4) Redo Log具有冪等性，通過每個Page裏面的pageLSN實現。
(5) 無論是提交的、還是未提交的事務，其對應的Page數據都可能被刷到了磁盤中。未提交的事務對應的Page數據，在宕機重啟後會回滾。
(6) 事務不存在“物理回滾”，所有的回滾操作都被轉化成了Commit。
數據庫原理 - 序列4 - 事務是如何實現的？ - Redo Log解析（續）