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MySQL 日志：undo log、redo log、binlog 有什么用？

一、前言

在MySQL数据库中，undo log、redo log和binlog这三种日志扮演着至关重要的角色，它们各自承担着不同的功能，共同保障了数据库的正常运行和数据的完整性。了解它们的工作原理和作用，对于深入理解MySQL数据库的运行机制以及进行性能优化和故障排查都具有重要意义。

二、基础篇

MySQL的数据存储于磁盘，读写操作若频繁直接访问磁盘，效率较低。为提升性能，InnoDB存储引擎设计了缓冲池（Buffer Pool），以页（默认16KB）为单位缓存数据，包括索引页、数据页、Undo页等。

三、undo log

（一）undo log的作用

1. 事务回滚：undo log由InnoDB存储引擎生成，用于实现事务的原子性。在事务执行“增删改”操作时，MySQL会隐式开启事务，undo log会记录更新前的数据。若事务执行中途MySQL崩溃，可利用undo log回滚到事务之前的数据状态。
2. MVCC（多版本并发控制）：对于“读提交”和“可重复读”隔离级别的事务，其快照读通过Read View + undo log实现。不同隔离级别创建Read View的时机不同，从而控制并发事务访问同一记录时的行为。

（二）undo log的记录方式

当InnoDB引擎对记录进行操作（修改、删除、新增）时，会把回滚所需信息记录到undo log中。如插入记录时记录主键值，删除记录时记录内容，更新记录时记录被更新列的旧值。不同操作产生的undo log格式不同，且每条记录的更新操作产生的undo log都有roll_pointer指针和trx_id事务id，可串成版本链。

（三）undo log的刷盘机制

undo log和数据页的刷盘策略一致，都需通过redo log保证持久化。buffer pool中有undo页，对undo页的修改会记录到redo log，redo log每秒刷盘，提交事务时也刷盘，以此保证undo log的持久化。

四、redo log

（一）redo log的作用

1. 实现事务持久性：Buffer Pool基于内存，为防止断电导致数据丢失，InnoDB引擎在更新数据时，先更新内存（标记为脏页），再将修改以redo log形式记录，事务提交时只需将redo log持久化到磁盘，无需等待脏页写入磁盘。系统崩溃重启后，可依据redo log恢复数据，保证已提交记录不丢失，即crash - safe能力。
2. 提升写入性能：写入redo log采用追加操作，是顺序写，而写入数据是随机写，磁盘顺序写比随机写高效得多，WAL技术将MySQL的写操作从随机写变为顺序写，提升了写入性能。

（二）redo log的缓存与刷盘时机

1. 缓存：执行事务过程中，产生的redo log先写入redo log buffer，其默认大小16MB，可通过innodb_log_Buffer_size参数调整。
2. 刷盘时机：
   • MySQL正常关闭时；
   • 当redo log buffer中记录的写入量大于其内存空间一半时；
   • InnoDB的后台线程每隔1秒；
   • 每次事务提交时（由innodb_flush_log_at_trx_commit参数控制，默认值为1，取值0表示事务提交时redo log留在buffer中，取值2表示事务提交时redo log写入文件但不保证写入磁盘）。

（三）redo log文件组与循环写机制

默认InnoDB存储引擎有1个重做日志文件组，由2个redo log文件（ib_logfile0和ib_logfile1）组成，大小固定且一致。以循环写方式工作，write pos表示当前记录位置，checkpoint表示可擦除位置。当write pos追上checkpoint，即redo log文件满时，会暂停执行新更新操作，将脏页刷新到磁盘，擦除旧记录，移动checkpoint，然后恢复正常运行。

五、binlog

（一）binlog的作用

1. 数据备份与恢复：记录了所有数据库表结构变更和表数据修改的日志，不记录查询操作。当数据库数据丢失或损坏时，可利用binlog进行数据恢复。
2. 主从复制：MySQL的主从复制依赖于binlog，主库将binlog传输到从库，从库通过回放binlog实现数据同步。

（二）binlog与redo log的区别

1. 适用对象：binlog是MySQL的Server层实现的日志，所有存储引擎都可使用；redo log是InnoDB存储引擎实现的日志。
2. 文件格式：binlog有STATEMENT（逻辑日志，记录SQL语句）、ROW（记录行数据最终修改结果）、MIXED（包含前两种模式）三种格式；redo log是物理日志，记录数据页的修改。
3. 写入方式：binlog是追加写，写满创建新文件，保存全量日志；redo log是循环写，空间固定，保存未刷盘的脏页日志。
4. 用途：binlog用于备份恢复、主从复制；redo log用于掉电等故障恢复。

（三）主从复制的实现与模型

1. 实现过程：主库写binlog日志并提交事务，更新本地数据；从库I/O线程连接主库log dump线程接收binlog，写入relay log中继日志；从库回放线程读relay log，回放binlog更新数据，实现主从数据一致性。
2. 复制模型：
   • 同步复制：主库提交事务线程等待所有从库复制成功响应，性能差、可用性低。
   • 异步复制（默认）：主库提交事务线程不等待从库复制，主库宕机可能丢数据。
   • 半同步复制：MySQL 5.7版本新增，事务线程等待部分从库复制成功响应，兼顾性能和数据安全。

（四）binlog的刷盘时机

事务执行中，先将日志写入binlog cache，事务提交时，把binlog cache写入binlog文件。MySQL通过sync_binlog参数控制刷盘频率，取值0表示只write不fsync，交由操作系统决定持久化时机；取值1表示每次提交事务都write并fsync；取值N（N>1）表示累积N个事务后fsync。

六、两阶段提交

（一）两阶段提交的原因

事务提交时，redo log和binlog都要持久化到磁盘，若出现半成功状态，会导致两份日志逻辑不一致，在主从架构中造成数据不一致问题。为避免此问题，MySQL采用两阶段提交。

（二）两阶段提交的过程

1. prepare阶段：将XID（内部XA事务的ID）写入redo log，将事务状态设置为prepare，然后将redo log持久化到磁盘。
2. commit阶段：把XID写入binlog，将binlog持久化到磁盘，接着调用引擎提交事务接口，将redo log状态设置为commit。

（三）异常重启的处理

在两阶段提交不同时刻MySQL异常重启，若redo log处于prepare状态，重启后会根据binlog中是否存在相同XID决定事务提交或回滚。若存在则提交，不存在则回滚，以此保证两份日志一致性。

（四）两阶段提交的问题与优化

1. 问题：
   • 磁盘I/O次数高：“双1”配置下，每个事务提交进行两次fsync，一次redo log刷盘，一次binlog刷盘。
   • 锁竞争激烈：早期通过prepare_commit_mutex锁保证事务提交顺序，并发量大时锁争用严重，性能不佳。
2. 优化 - 组提交：
   • binlog组提交：将多个binlog刷盘操作合并，减少磁盘I/O次数。commit阶段拆分为flush（将binlog从cache写入文件）、sync（对binlog文件fsync，合并刷盘）、commit（各个事务按顺序做InnoDB commit操作）三个过程，每个阶段有队列和锁保护，第一个进入队列事务为leader，负责整队操作。
   • redo log组提交（MySQL 5.7）：将prepare阶段融合在flush阶段，延迟redo log刷盘到flush阶段，sync阶段之前，实现redo log组写入。