我們都知道事務有4種特性：原子性、一致性、隔離性和持久性，在事務中的操作，要么全部執行，要么全部不做，這就是事務的目的。事務的隔離性由鎖機制實現，原子性、一致性和持久性由事務的redo 日志和undo 日志來保證。所以本篇文章將討論關于事務中的redo和undo的幾個問題：
- redo 日志與undo日志分別是什么？
- redo 如何保證事務的持久性？
- undo log 是否是redo log的逆過程？
redo log
Redo 的類型
重做日志(redo log)用來保證事務的持久性，即事務ACID中的D。實際上它可以分為以下兩種類型：
- 物理Redo日志
- 邏輯Redo日志
在InnoDB存儲引擎中，大部分情況下 Redo是物理日志，記錄的是數據頁的物理變化。而邏輯Redo日志，不是記錄頁面的實際修改，而是記錄修改頁面的一類操作，比如新建數據頁時，需要記錄邏輯日志。關于邏輯Redo日志涉及更加底層的內容，這里我們只需要記住絕大數情況下，Redo是物理日志即可，DML對頁的修改操作，均需要記錄Redo.
Redo 的作用
Redo log的主要作用是用于數據庫的崩潰恢復
Redo 的組成
Redo log可以簡單分為以下兩個部分：
- 一是內存中重做日志緩沖 (redo log buffer),是易失的，在內存中
- 二是重做日志文件 (redo log file)，是持久的，保存在磁盤中
什么時候寫Redo?
上面那張圖簡單地體現了Redo的寫入流程，這里再細說下寫入Redo的時機：
- 在數據頁修改完成之后，在臟頁刷出磁盤之前，寫入redo日志。注意的是先修改數據，后寫日志
- redo日志比數據頁先寫回磁盤
- 聚集索引、二級索引、undo頁面的修改，均需要記錄Redo日志。
Redo的整體流程
下面以一個更新事務為例，宏觀上把握redo log 流轉過程，如下圖所示：
- 第一步：先將原始數據從磁盤中讀入內存中來，修改數據的內存拷貝
- 第二步：生成一條重做日志并寫入redo log buffer，記錄的是數據被修改后的值
- 第三步：當事務commit時，將redo log buffer中的內容刷新到 redo log file，對 redo log file采用追加寫的方式
- 第四步：定期將內存中修改的數據刷新到磁盤中
redo如何保證 事務的持久性？
InnoDB是事務的存儲引擎，其通過Force Log at Commit 機制實現事務的持久性，即當事務提交時，先將 redo log buffer 寫入到 redo log file 進行持久化，待事務的commit操作完成時才算完成。這種做法也被稱為 Write-Ahead Log(預先日志持久化)，在持久化一個數據頁之前，先將內存中相應的日志頁持久化。
為了保證每次日志都寫入redo log file，在每次將redo buffer寫入redo log file之后，默認情況下，InnoDB存儲引擎都需要調用一次 fsync操作,因為重做日志打開并沒有 O_DIRECT選項，所以重做日志先寫入到文件系統緩存。為了確保重做日志寫入到磁盤，必須進行一次 fsync操作。fsync是一種系統調用操作，其fsync的效率取決于磁盤的性能，因此磁盤的性能也影響了事務提交的性能，也就是數據庫的性能。
(O_DIRECT選項是在Linux系統中的選項，使用該選項后，對文件進行直接IO操作，不經過文件系統緩存，直接寫入磁盤)
上面提到的Force Log at Commit機制就是靠InnoDB存儲引擎提供的參數 innodb_flush_log_at_trx_commit來控制的，該參數可以控制 redo log刷新到磁盤的策略，設置該參數值也可以允許用戶設置非持久性的情況發生，具體如下：
- 當設置參數為1時，（默認為1），表示事務提交時必須調用一次
fsync操作，最安全的配置，保障持久性 - 當設置參數為2時，則在事務提交時只做 write 操作，只保證將redo log buffer寫到系統的頁面緩存中，不進行fsync操作，因此如果MySQL數據庫宕機時 不會丟失事務，但操作系統宕機則可能丟失事務
- 當設置參數為0時，表示事務提交時不進行寫入redo log操作，這個操作僅在master thread 中完成，而在master thread中每1秒進行一次重做日志的fsync操作，因此實例 crash 最多丟失1秒鐘內的事務。（master thread是負責將緩沖池中的數據異步刷新到磁盤，保證數據的一致性）
fsync和write操作實際上是系統調用函數，在很多持久化場景都有使用到，比如 Redis 的AOF持久化中也使用到兩個函數。fsync操作 將數據提交到硬盤中，強制硬盤同步，將一直阻塞到寫入硬盤完成后返回，大量進行fsync操作就有性能瓶頸，而write操作將數據寫到系統的頁面緩存后立即返回，后面依靠系統的調度機制將緩存數據刷到磁盤中去,其順序是user buffer——> page cache——>disk。
除了上面談到的Force Log at Commit機制保證事務的持久性，實際上重做日志的實現還要依賴于mini-transaction。
Redo在InnoDB中是如何實現的？與mini-transaction的聯系？
Redo的實現實則跟mini-transaction緊密相關，mini-transaction是一種InnoDB內部使用的機制，通過mini-transaction來保證并發事務操作下以及數據庫異常時數據頁中數據的一致性，但它不屬于事務。
為了使得mini-transaction保證數據頁數據的一致性，mini-transaction必須遵循以下三種協議：
- The FIX Rules
- Write-Ahead Log
- Force-log-at-commit
The FIX Rules
修改一個數據頁時需要獲得該頁的x-latch(排他鎖)，獲取一個數據頁時需要該頁的s-latch(讀鎖或者稱為共享鎖) 或者是 x-latch，持有該頁的鎖直到修改或訪問該頁的操作完成。
Write-Ahead Log
在前面闡述中就提到了Write-Ahead Log(預先寫日志)。在持久化一個數據頁之前，必須先將內存中相應的日志頁持久化。每個頁都有一個LSN(log sequence number)，代表日志序列號，（LSN占用8字節，單調遞增), 當一個數據頁需要寫入到持久化設備之前，要求內存中小于該頁LSN的日志先寫入持久化設備
那為什么必須要先寫日志呢？可不可以不寫日志，直接將數據寫入磁盤？原則上是可以的，只不過會產生一些問題，數據修改會產生隨機IO，但日志是順序IO，append方式順序寫，是一種串行的方式，這樣才能充分利用磁盤的性能。
Force-log-at-commit
這一點也就是前文提到的如何保證事務的持久性的內容，這里再次總結一下，與上面的內容相呼應。在一個事務中可以修改多個頁，Write-Ahead Log 可以保證單個數據頁的一致性，但是無法保證事務的持久性，Force-log-at-commit 要求當一個事務提交時，其產生所有的mini-transaction 日志必須刷新到磁盤中，若日志刷新完成后，在緩沖池中的頁刷新到持久化存儲設備前數據庫發生了宕機，那么數據庫重啟時，可以通過日志來保證數據的完整性。
重做日志的寫入流程
上圖表示了重做日志的寫入流程，每個mini-transaction對應每一條DML操作，比如一條update語句，其由一個mini-transaction來保證，對數據修改后，產生redo1，首先將其寫入mini-transaction私有的Buffer中，update語句結束后，將redo1從私有Buffer拷貝到公有的Log Buffer中。當整個外部事務提交時，將redo log buffer再刷入到redo log file中。
undo log
undo log的定義
undo log主要記錄的是數據的邏輯變化，為了在發生錯誤時回滾之前的操作，需要將之前的操作都記錄下來，然后在發生錯誤時才可以回滾。
undo log的作用
undo是一種邏輯日志，有兩個作用：
- 用于事務的回滾
- MVCC
關于MVCC(多版本并發控制)的內容這里就不多說了，本文重點關注undo log用于事務的回滾。
undo日志，只將數據庫邏輯地恢復到原來的樣子，在回滾的時候，它實際上是做的相反的工作，比如一條INSERT ，對應一條 DELETE，對于每個UPDATE,對應一條相反的 UPDATE,將修改前的行放回去。undo日志用于事務的回滾操作進而保障了事務的原子性。
undo log的寫入時機
- DML操作修改聚簇索引前，記錄undo日志
- 二級索引記錄的修改，不記錄undo日志
需要注意的是，undo頁面的修改，同樣需要記錄redo日志。
undo的存儲位置
在InnoDB存儲引擎中，undo存儲在回滾段(Rollback Segment)中,每個回滾段記錄了1024個undo log segment，而在每個undo log segment段中進行undo 頁的申請，在5.6以前，Rollback Segment是在共享表空間里的，5.6.3之后，可通過 innodb_undo_tablespace設置undo存儲的位置。
undo的類型
在InnoDB存儲引擎中，undo log分為：
- insert undo log
- update undo log
insert undo log是指在insert 操作中產生的undo log，因為insert操作的記錄，只對事務本身可見，對其他事務不可見。故該undo log可以在事務提交后直接刪除，不需要進行purge操作。
而update undo log記錄的是對delete 和update操作產生的undo log，該undo log可能需要提供MVCC機制，因此不能再事務提交時就進行刪除。提交時放入undo log鏈表，等待purge線程進行最后的刪除。
補充：purge線程兩個主要作用是：清理undo頁和清除page里面帶有Delete_Bit標識的數據行。在InnoDB中，事務中的Delete操作實際上并不是真正的刪除掉數據行，而是一種Delete Mark操作，在記錄上標識Delete_Bit，而不刪除記錄。是一種"假刪除",只是做了個標記，真正的刪除工作需要后臺purge線程去完成。
undo log 是否是redo log的逆過程？
undo log 是否是redo log的逆過程？其實從前文就可以得出答案了，undo log是邏輯日志，對事務回滾時，只是將數據庫邏輯地恢復到原來的樣子，而redo log是物理日志，記錄的是數據頁的物理變化，顯然undo log不是redo log的逆過程。
redo & undo總結
下面是redo log + undo log的簡化過程，便于理解兩種日志的過程：
假設有A、B兩個數據，值分別為1,2.
1. 事務開始
2. 記錄A=1到undo log
3. 修改A=3
4. 記錄A=3到 redo log
5. 記錄B=2到 undo log
6. 修改B=4
7. 記錄B=4到redo log
8. 將redo log寫入磁盤
9. 事務提交
實際上，在insert/update/delete操作中，redo和undo分別記錄的內容都不一樣，量也不一樣。在InnoDB內存中，一般的順序如下：
- 寫undo的redo
- 寫undo
- 修改數據頁
- 寫Redo
小結
本文分析了事務中的redo和undo日志，參考了一些資料書籍整理得出，可能有些地方表述的不清楚。如有不對之處，歡迎指出。
