我們都知道事務有4種特性：原子性、一致性、隔離性和永續性，在事務中的操作，要麼全部執行，要麼全部不做，這就是事務的目的。事務的隔離性由鎖機制實現，原子性、一致性和永續性由事務的redo 日誌和undo 日誌來保證。所以本篇文章將討論關於事務中的redo和undo的幾個問題：
- redo 日誌與undo日誌分別是什麼？
- redo 如何保證事務的永續性？
- undo log 是否是redo log的逆過程？
redo log
Redo 的型別
重做日誌(redo log)用來保證事務的永續性，即事務ACID中的D。實際上它可以分為以下兩種型別：
- 物理Redo日誌
- 邏輯Redo日誌
在InnoDB儲存引擎中，大部分情況下 Redo是物理日誌，記錄的是資料頁的物理變化。而邏輯Redo日誌，不是記錄頁面的實際修改，而是記錄修改頁面的一類操作，比如新建資料頁時，需要記錄邏輯日誌。關於邏輯Redo日誌涉及更加底層的內容，這裡我們只需要記住絕大數情況下，Redo是物理日誌即可，DML對頁的修改操作，均需要記錄Redo.
Redo 的作用
Redo log的主要作用是用於資料庫的崩潰恢復
Redo 的組成
Redo log可以簡單分為以下兩個部分：
- 一是記憶體中重做日誌緩衝 (redo log buffer),是易失的，在記憶體中
- 二是重做日誌檔案 (redo log file)，是持久的，儲存在磁碟中
什麼時候寫Redo?
寫入Redo的時機：
- 在資料頁修改完成之後，在髒頁刷出磁碟之前，寫入redo日誌。注意的是先修改資料，後寫日誌
- redo日誌比資料頁先寫回磁碟
- 聚集索引、二級索引、undo頁面的修改，均需要記錄Redo日誌。
Redo的整體流程
下面以一個更新事務為例，巨集觀上把握redo log 流轉過程，如下圖所示：
- 第一步：先將原始資料從磁碟中讀入記憶體中來，修改資料的記憶體拷貝
- 第二步：生成一條重做日誌並寫入redo log buffer，記錄的是資料被修改後的值
- 第三步：當事務commit時，將redo log buffer中的內容重新整理到 redo log file，對 redo log file採用追加寫的方式
- 第四步：定期將記憶體中修改的資料重新整理到磁碟中
redo如何保證 事務的永續性？
InnoDB是事務的儲存引擎，其通過Force Log at Commit 機制實現事務的永續性，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(預先日誌持久化)，在持久化一個資料頁之前，先將記憶體中相應的日誌頁持久化。
為了保證每次日誌都寫入redo log file，在每次將redo buffer寫入redo log file之後，預設情況下，InnoDB儲存引擎都需要呼叫一次 fsync操作,因為重做日誌開啟並沒有 O_DIRECT選項，所以重做日誌先寫入到檔案系統快取。為了確保重做日誌寫入到磁碟，必須進行一次 fsync操作。fsync是一種系統呼叫操作，其fsync的效率取決於磁碟的效能，因此磁碟的效能也影響了事務提交的效能，也就是資料庫的效能。 (O_DIRECT選項是在Linux系統中的選項，使用該選項後，對檔案進行直接IO操作，不經過檔案系統快取，直接寫入磁碟)
上面提到的Force Log at Commit機制就是靠InnoDB儲存引擎提供的引數 innodb_flush_log_at_trx_commit來控制的，該引數可以控制 redo log重新整理到磁碟的策略，設定該引數值也可以允許使用者設定非永續性的情況發生，具體如下：
- 當設定引數為1時，（預設為1），表示事務提交時必須呼叫一次
fsync操作，最安全的配置，保障永續性 - 當設定引數為2時，則在事務提交時只做 write 操作，只保證將redo log buffer寫到系統的頁面快取中，不進行fsync操作，因此如果MySQL資料庫當機時 不會丟失事務，但作業系統當機則可能丟失事務
- 當設定引數為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秒進行一次重做日誌的fsync操作，因此例項 crash 最多丟失1秒鐘內的事務。（master thread是負責將緩衝池中的資料非同步重新整理到磁碟，保證資料的一致性）
fsync和write操作實際上是系統呼叫函式，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式。fsync操作 將資料提交到硬碟中，強制硬碟同步，將一直阻塞到寫入硬碟完成後返回，大量進行fsync操作就有效能瓶頸，而write操作將資料寫到系統的頁面快取後立即返回，後面依靠系統的排程機制將快取資料刷到磁碟中去,其順序是user buffer——> page cache——>disk。
Redo在InnoDB中是如何實現的？與mini-transaction的聯絡？
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來保證併發事務操作下以及資料庫異常時資料頁中資料的一致性，但它不屬於事務。
為了使得mini-transaction保證資料頁資料的一致性，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
修改一個資料頁時需要獲得該頁的x-latch(排他鎖)，獲取一個資料頁時需要該頁的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(預先寫日誌)。在持久化一個資料頁之前，必須先將記憶體中相應的日誌頁持久化。每個頁都有一個LSN(log sequence number)，代表日誌序列號，（LSN佔用8位元組，單調遞增), 當一個資料頁需要寫入到持久化裝置之前，要求記憶體中小於該頁LSN的日誌先寫入持久化裝置。寫日誌採用append方式順序寫，是一種序列的方式，比起隨機寫，順序寫更能充分利用磁碟的效能。
Force-log-at-commit
這一點也就是前文提到的如何保證事務的永續性的內容，這裡再次總結一下，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 可以保證單個資料頁的一致性，但是無法保證事務的永續性，Force-log-at-commit 要求當一個事務提交時，其產生所有的mini-transaction 日誌必須重新整理到磁碟中，若日誌重新整理完成後，在緩衝池中的頁重新整理到持久化儲存裝置前資料庫發生了當機，那麼資料庫重啟時，可以通過日誌來保證資料的完整性。
重做日誌的寫入流程
上圖表示了重做日誌的寫入流程，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，對資料修改後，產生redo1，首先將其寫入mini-transaction私有的Buffer中，update語句結束後，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主要記錄的是資料的邏輯變化，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，然後在發生錯誤時才可以回滾。
undo log的作用
undo是一種邏輯日誌，有兩個作用：
- 用於事務的回滾
- MVCC
關於MVCC(多版本併發控制)的內容這裡就不多說了，本文重點關注undo log用於事務的回滾。
undo日誌，只將資料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，對於每個UPDATE,對應一條相反的 UPDATE,將修改前的行放回去。undo日誌用於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日誌
- 二級索引記錄的修改，不記錄undo日誌
需要注意的是，undo頁面的修改，同樣需要記錄redo日誌。
undo的儲存位置
在InnoDB儲存引擎中，undo儲存在回滾段(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是在共享表空間裡的，5.6.3之後，可通過 innodb_undo_tablespace設定undo儲存的位置。
undo的型別
在InnoDB儲存引擎中，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可以在事務提交後直接刪除，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連結串列，等待purge執行緒進行最後的刪除。
補充：purge執行緒兩個主要作用是：清理undo頁和清除page裡面帶有Delete_Bit標識的資料行。在InnoDB中，事務中的Delete操作實際上並不是真正的刪除掉資料行，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後臺purge執行緒去完成。
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是邏輯日誌，對事務回滾時，只是將資料庫邏輯地恢復到原來的樣子，而redo log是物理日誌，記錄的是資料頁的物理變化，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，便於理解兩種日誌的過程：
假設有A、B兩個資料，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寫入磁碟
9. 事務提交
複製程式碼實際上，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記憶體中，一般的順序如下：
- 寫undo的redo
- 寫undo
- 修改資料頁
- 寫Redo
小結
本文分析了事務中的redo和undo日誌，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。