刨析 MySQL 三大日志：binlog、redo log 和 undo log

日志是MySQL数据库的重要组成部分，记录着数据库运行期间各种状态信息。MySQL日志主要包括错误日志、查询日志、慢查询日志、事务日志、二进制日志几大类。作为开发，我们重点需要关注的是二进制日志（binlog）和事务日志（包括redo log和undo log），本文接下来会详细介绍这三种日志。

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binlog

binlog用于记录数据库执行的写入性操作（不包括查询）信息，以二进制的形式保存在磁盘中。binlog是MySQL的逻辑日志，并且由Server层进行记录，使用任何存储引擎的MySQL数据库都会记录binlog日志。

逻辑日志：可以简单理解为记录的就是SQL语句。
物理日志：因为MySQL数据最终是保存在数据页中的，物理日志记录的就是数据页变更。

binlog是通过追加的方式进行写入的，可以通过max_binlog_size参数设置每个binlog文件的大小，当文件大小达到给定值之后，会生成新的文件来保存日志。

binlog 使用场景

在实际应用中，binlog的主要使用场景有两个，分别是主从复制和数据恢复。

主从复制：在Master端开启binlog，然后将binlog发送到各个Slave端，Slave端重放binlog从而达到主从数据一致。
数据恢复：通过使用mysqlbinlog工具来恢复数据。

binlog 刷盘时机

对于InnoDB存储引擎而言，只有在事务提交时才会记录biglog，此时记录还在内存中，那么biglog是什么时候刷到磁盘中的呢？MySQL通过sync_binlog参数控制biglog的刷盘时机，取值范围是0-N：

0：不去强制要求，由系统自行判断何时写入磁盘；
1：每次commit的时候都要将binlog写入磁盘；
N：每N个事务，才会将binlog写入磁盘。

从上面可以看出，sync_binlog最安全的是设置是1，这也是MySQL 5.7.7之后版本的默认值。但是设置一个大一些的值可以提升数据库性能，因此实际情况下也可以将值适当调大，牺牲一定的一致性来获取更好的性能。

binlog 日志格式

binlog日志有三种格式，分别为STATMENT、ROW和MIXED。

在MySQL 5.7.7之前，默认的格式是STATEMENT，MySQL 5.7.7之后，默认值是ROW。日志格式通过binlog-format指定。

STATMENT：基于SQL语句的复制（statement-based replication, SBR），每一条会修改数据的SQL语句会记录到binlog中。优点：不需要记录每一行的变化，减少了binlog日志量，节约了IO，从而提高了性能；缺点：在某些情况下会导致主从数据不一致，比如执行sysdate()、slepp()等。
ROW：基于行的复制（row-based replication，RBR），不记录每条SQL语句的上下文信息，仅需记录哪条数据被修改了。优点：不会出现某些特定情况下的存储过程、或function、或trigger的调用和触发无法被正确复制的问题；缺点：会产生大量的日志，尤其是alter table的时候会让日志暴涨。
MIXED：基于STATMENT和ROW两种模式的混合复制（mixed-based replication，MBR），一般的复制使用STATEMENT模式保存binlog，对于STATEMENT模式无法复制的操作使用ROW模式保存binlog。

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redo log

为什么需要redo log

我们都知道，事务的四大特性里面有一个是持久性，具体来说就是只要事务提交成功，那么对数据库做的修改就被永久保存下来了，不可能因为任何原因再回到原来的状态。那么MySQL是如何保证持久性的呢？最简单的做法是在每次事务提交的时候，将该事务涉及修改的数据页全部刷新到磁盘中。但是这么做会有严重的性能问题，主要体现在两个方面：

因为InnoDB是以页为单位进行磁盘交互的，而一个事务很可能只修改一个数据页里面的几个字节，这个时候将完整的数据页刷到磁盘的话，太浪费资源了！
一个事务可能涉及修改多个数据页，并且这些数据页在物理上并不连续，使用随机IO写入性能太差！

因此MySQL设计了redo log，具体来说就是只记录事务对数据页做了哪些修改，这样就能完美地解决性能问题了（相对而言文件更小并且是顺序IO）。

redo log 基本概念

redo log包括两部分：一个是内存中的日志缓冲（redo log buffer），另一个是磁盘上的日志文件（redo log file）。MySQL每执行一条DML语句，先将记录写入redo log buffer，后续某个时间点再一次性将多个操作记录写到redo log file。这种先写日志，再写磁盘的技术就是MySQL里经常说到的WAL（Write-Ahead Logging）技术。

在计算机操作系统中，用户空间（user space）下的缓冲区数据一般情况下是无法直接写入磁盘的，中间必须经过操作系统内核空间（kernel space）缓冲区（OS Buffer）。因此，redo log buffer写入redo log file实际上是先写入OS Buffer，然后再通过系统调用fsync()将其刷到redo log file中，过程如下：

刨析 MySQL 三大日志：binlog、redo log 和 undo log

MySQL支持三种将redo log buffer写入redo log file的时机，可以通过innodb_flush_log_at_trx_commit参数配置，各参数值含义如下：

参数值	含义
0（延迟写）	事务提交时不会将redo log buffer中日志写入到os buffer，而是每秒写入os buffer并调用fsync()写入到redo log file中。也就是说设置为0时是(大约)每秒刷新写入到磁盘中的，当系统崩溃，会丢失1秒钟的数据。
1（实时写，实时刷）	事务每次提交都会将redo log buffer中的日志写入os buffer并调用fsync()刷到redo log file中。这种方式即使系统崩溃也不会丢失任何数据，但是因为每次提交都写入磁盘，IO的性能较差。
2（实时写，延迟刷）	每次提交都仅写入到os buffer，然后是每秒调用fsync()将os buffer中的日志写入到redo log file。

刨析 MySQL 三大日志：binlog、redo log 和 undo log

redo log 记录形式

前面说过，redo log实际上记录数据页的变更，而这种变更记录是没必要全部保存，因此redo log实现上采用了大小固定，循环写入的方式，当写到结尾时，会回到开头循环写日志。如下图：

刨析 MySQL 三大日志：binlog、redo log 和 undo log

同时我们很容易得知，在InnoDB中，既有redo log需要刷盘，还有数据页也需要刷盘，redo log存在的意义主要就是降低对数据页刷盘的要求。在上图中，write pos表示redo log当前记录的LSN（逻辑序列号）位置，check point表示数据页更改记录刷盘后对应redo log所处的LSN（逻辑序列号）位置。write pos到check point之间的部分是redo log空着的部分，用于记录新的记录；check point到write pos之间是redo log待落盘的数据页更改记录。当write pos追上check point时，会先推动check point向前移动，空出位置再记录新的日志。

启动InnoDB的时候，不管上次是正常关闭还是异常关闭，总是会进行恢复操作。因为redo log记录的是数据页的物理变化，因此恢复的时候速度比逻辑日志（如binlog）要快很多。重启InnoDB时，首先会检查磁盘中数据页的LSN，如果数据页的LSN小于日志中的LSN，则会从checkpoint开始恢复。还有一种情况，在宕机前正处于checkpoint的刷盘过程，且数据页的刷盘进度超过了日志页的刷盘进度，此时会出现数据页中记录的LSN大于日志中的LSN，这时超出日志进度的部分将不会重做，因为这本身就表示已经做过的事情，无需再重做。

redo log 与 binlog 区别

	redo log	binlog
文件大小	redo log的大小是固定的。	binlog可通过配置参数max_binlog_size设置每个binlog文件的大小。
实现方式	redo log是InnoDB引擎层实现的，并不是所有引擎都有。	binlog是Server层实现的，所有引擎都可以使用 binlog日志。
记录方式	redo log 采用循环写的方式记录，当写到结尾时，会回到开头循环写日志。	binlog 通过追加的方式记录，当文件大小大于给定值后，后续的日志会记录到新的文件上。
适用场景	redo log适用于崩溃恢复（crash-safe）。	binlog适用于主从复制和数据恢复。

由binlog和redo log的区别可知：binlog日志只用于归档，只依靠binlog是没有crash-safe能力的。但只有redo log也不行，因为redo log是InnoDB特有的，且日志上的记录落盘后会被覆盖掉。因此需要binlog和redo log二者同时记录，才能保证当数据库发生宕机重启时，数据不会丢失。

undo log

数据库事务四大特性中有一个是原子性，具体来说就是原子性是指对数据库的一系列操作，要么全部成功，要么全部失败，不可能出现部分成功的情况。实际上，原子性底层就是通过undo log实现的。undo log主要记录了数据的逻辑变化，比如一条INSERT语句，对应一条DELETE的undo log，对于每个UPDATE语句，对应一条相反的UPDATE的undo log，这样在发生错误时，就能回滚到事务之前的数据状态。同时，undo log也是MVCC（多版本并发控制）实现的关键，篇幅有限，不再赘述。

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