Undo log 回滚日志是 MySQL 进阶必知必会的一个重要知识点，大厂面试也经常会被问到。
Undo Log 回滚日志记录事务执行过程中的旧值，当事务发生异常、需要回滚操作时，可使用 Undo Log 来撤销事务的变更操作，将数据恢复到事务开始之前的状态，从而确保事务的一致性，提高数据库的并发性能和系统的稳定性。
大家好，我是爱分享的程序员宝妹儿。
本篇深入：Undo log 回滚日志的物理结构、以及其在事务中的流程。
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1. Undo log 基础知识
上一篇 图解 Undo log 的存储机制及工作原理 ，介绍了：
- Undo log 的概念
- Undo log 的两大作用
- Undo log 的存储机制
- Undo log 的工作原理
点击蓝字回顾： 图解 Undo log 的存储机制及工作原理
2. Undo log 的作用
Undo log 的两大作用分别是提供数据回滚、多版本控制 MVCC。
- 提供数据回滚（原子性）
事务具有 ACID 特性，其中，”A”代表事务的原子性（Atomicity）。
即：事务中的所有操作要么全部成功执行，要么全部回滚。
undo log（回滚日志）的回滚操作是实现原子性的关键，它保证了事务的 ACID 特性中的原子性。
undo log 是一种用于撤销回退的日志，在事务没提交之前，MySQL 会先记录更新前的数据到 undo log 日志文件里面，当事务回滚时或数据库崩溃时，可以利用 Undo Log 进行数据回滚。
- 多个行版本控制 MVCC
undo log 还有一个作用，通过 ReadView + undo log 实现 MVCC。
当用户读取某个记录时，如果这个记录已被其它的事务所占用，通过 Undo Log 读取之前的行版本信息，当前事务就可以实现非锁定读取。
undo log 为每条记录保存多份历史数据，MySQL 在执行快照读（普通 select 语句）的时候，会根据事务的 Read View 里的信息，顺着 undo log 的版本链找到满足其可见性的记录。
一条记录的每一次更新操作产生的 undo log 格式都有一个 roll_pointer 指针和一个 trx_id 事务id：
- 通过 trx_id 可以知道该记录是被哪个事务修改的；
- 通过 roll_pointer 指针可以将这些 undo log 串成一个链表，这个链表就被称为版本链；
版本链如下图：
3. Undo log 的物理结构
Undo log 的物理结构
Undo log 的物理结构，由上到下分别为：
- 回滚表空间
- 回滚段 （undo log segment）
- undo log slot
- page
Undo log 由 128 个回滚段（Rollback segment）构成。
其中，32 个回滚段用于系统的临时表空间，96 个回滚段用于事务。
- slot 0 ，预留给系统表空间；
- slot 1- 32，预留给临时表空间，每次数据库重启的时候，都会重建临时表空间；
- slot 33-127，如果有独立表空间，则预留给UNDO独立表空间；如果没有，则预留给系统表空间。
回滚段中除去 32 个提供给临时表事务使用，剩下的 128-32=96个回滚段，可执行 96*1024 个并发事务操作，每个事务占用一个 undo segment slot。
- 如果事务中有临时表事务，在临时表空间中的 undo segment slot 会再占用一个 undo segment slot，即占用2个 undo segment slot。
- 如果错误日志中有 Cannot find a free slot for an undo log，说明并发的事务太多了，需要考虑是否分流业务。
每个回滚段对应一个 segment header page，在这个 page 中又划分了 1024 个 slot，每个 slot 又对应到一个 undo log 对象。
独立表空间的 space id 是从 1 开始的，0 被预留在 ibdata 中，space id 是连续分配、并且不能断档的。
回滚段
重点聊下回滚段。
回滚段（Rollback Segment）由多个回滚段组成，是存储 Undo log 的数据结构，每个回滚段有多个 undo log slot，负责存储特定范围的事务 Undo log 。
回滚段采用轮询调度的方式来分配使用，如果设置了独立表空间，就不会使用系统表空间回滚段中 undo segment，而是使用独立表空间，同时，如果回滚段正在 Truncate 操作，则不分配。
InnoDB 在 undo tablespace 中使用回滚段来组织 undo log，以及维护 undo log 的并发写入和持久化。
通过 Rollback Segment Header 来管理回滚段，Rollback Segment Header 的结构：
回滚段有 update_undo、insert_undo 两种类型。
update_undo:
- 只用于事务内的 update 和 delete 语句。
- 加入到其对应 rollback segment 的 history list 数据页列表上，history list 长度加1。
- 该 log 需要提供 MVCC 机制，因此不能在事务提交时就进行删除。提交时放入 undo log 链表，等待 purge 线程进行清除。
insert_undo：
- 只用于事务内的 insert 语句。
- 新插入的记录产生的 undo 不会被任何查询语句所引用，因此可以直接释放 undo，此处 undo log 不会累加到 history list 上。insert 操作的记录只对事务本身可见，因此，该 undo log 不需要进行 purge 操作，在事务提交后就直接删除。
delete 和 update 操作最终都是由 purge 来完成的。
- innodb_purge_batch_size：全局动态参数，默认值为 300，用来设置每次 purge 操作需要清理的 undo page 数量。
- innodb_max_purge_lag：全局动态参数，用来控制 history list 的长度，若大于该参数时，其会延缓 DML 的操作。
- innodb_max_purge_lag_delay：全局动态参数，用来控制 DML 操作每行数据的最大延缓时间，单位为毫秒。
可以通过如下几个参数对回滚段做配置：
innodb_undo_log_truncate
- InnoDB 的 purge 线程，根据 innodb_undo_log_truncate 设置开启或关闭、innodb_max_undo_log_size 的参数值，以及 truncate 的频率来进行空间回收和 undo file 的重新初始化。
- 该参数生效的前提是，已设置独立表空间且独立表空间个数大于等于 2 个。
innodb_max_undo_log_size
- 控制最大的 undo tablespace 文件大小，当启动了 innodb_undo_log_truncate 、且 undo tablespace 超过 innodb_max_undo_log_size 阀值时，才会去尝试 truncate 。
- 该值默认大小为 1G，truncate 后的大小默认为 10M。
innodb_undo_tablespaces
- 设置 undo 独立表空间个数，范围为 0-128， 默认为 0，0 表示不开启独立 undo 表空间、且 undo日志存储在 ibdata 文件中。
- 该参数只能在最开始初始化 MySQL 实例的时候指定，如果实例已创建，这个参数是不能变动的，如果在数据库配置文件 .cnf 中指定 innodb_undo_tablespaces 的个数大于实例创建时的指定个数，就会启动失败，并提示该参数设置错误。
innodb_undo_directory
- 设置 rollback segment 文件所在位置的路径，这意味着 rollback segment 可以存放在共享表空间以外的位置，即可以设置为独立表空间。
- 该参数的默认值为“.”，标识当前InnoDB存储引擎的位置的目录。
innodb_undo_log
- 用来设置 rollback segment 的个数。
- 默认值为128个。
4. Undo log 在事务中的流程
事务在 undo log segment 分配、且写入 undo log 的同时，也会产生 redo log。
当事务提交时（commit）：
- 将 undo log 放入列表中,以供之后的 purge(pai rui chi) 线程使用；
- 判断 undo log 所在的页能否重用，如果可以重用，则分配给下个事务使用；
- 事务提交后，不能马上删除 undo log 及 undo log 所在的页，这是因为还有其他事务需要通过 undo log 来得到行记录之前的版本，故事务提交将 undo log 放入一个链表中，是否可以最终删除 undo log 及 undo log 所在页由 purge 线程来判断。
当事务提交时，先将 undo log 放入链表中，判断 undo 页的使用空间是否小于 3/4（表示 undo log 可否被重用）。
之后新的undo log 记录在当前的 undo log 的后面，由于存放 undo log 的列表是以记录进行组织的，undo log 可能存放着不同事务的 undo log。
因此，prege 操作需要设计磁盘的离散读取操作，这个过程很缓慢，可以通过设置 purge 线程的个数来提升回收速度。
总结
在 MySQL 中 ，Undo log 回滚日志是数据库事务的重要组成部分，在事务执行变更操作之前先将相反的操作写入 Undo log ，当事务回滚、或数据库崩溃时，通过记录事务执行过程中的旧值，实现对数据库修改的撤销回退，从而确保数据的一致性和可靠性，Undo log 也是实现多版本控制（ MVCC ）的基础。
通过本文，我们掌握了 Undo log 回滚日志的概念、原理以及在事务中的流程等，可以帮助大家进一步理解、正确应用 Undo log 。
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