InnoDB 的 Redo Log、Undo Log 和 MVCC 详解

0.InnoDB存储引擎架构

InnoDB 是 MySQL 的默认存储引擎，具有高可靠性和性能，支持事务和行级锁。

（1）InnoDB架构核心组件

• Buffer Pool（缓冲池）：
  • 用于缓存表数据和索引，减少磁盘 I/O 操作。
  • 包含数据页、索引页、插入缓冲等。
• Redo Log（重做日志）：
  • 记录事务操作，用于崩溃恢复。
  • 提供 WAL（Write-Ahead Logging）机制，确保日志先写磁盘再修改数据。
• Undo Log（回滚日志）：
  • 用于事务回滚和 MVCC 的实现。
  • 每个事务的更新会记录到 Undo Log。
• Adaptive Hash Index（自适应哈希索引）：
  • 自动生成的哈希索引，提高某些查询的速度。
• Change Buffer（变更缓冲区）：
  • 暂存对非唯一索引的修改，异步写入磁盘。
  • 提高批量写入性能。
• Doublewrite Buffer（双写缓冲）：
  • 防止单页写入损坏数据，通过两次写操作保障一致性。

2. 事务原理

（1）ACID特性

InnoDB 通过以下机制实现 ACID：

• 原子性（Atomicity）： 通过 Undo Log 回滚未完成的事务。
• 一致性（Consistency）： 数据在事务之间保持一致。
• 隔离性（Isolation）： 支持 4 种隔离级别，防止事务间干扰。
• 持久性（Durability）： 使用 Redo Log 保证事务提交后的数据持久化。

（2）事务隔离级别

• READ UNCOMMITTED（未提交读）：
  • 允许读取未提交的数据，可能出现脏读。
• READ COMMITTED（提交读）：
  • 只能读取已提交的数据，防止脏读。
• REPEATABLE READ（可重复读）：
  • 同一事务内多次读取结果一致，防止幻读和不可重复读。
• SERIALIZABLE（可串行化）：
  • 最高隔离级别，所有事务按顺序执行，防止一切并发问题。

（3）锁机制

InnoDB 提供以下锁：

• 行级锁：
  • Record Lock（记录锁）： 锁定行记录本身。
  • Gap Lock（间隙锁）： 锁定索引间隙，防止幻读。
  • Next-Key Lock（临键锁）： 记录锁 + 间隙锁。
• 意向锁：
  • 意向共享锁（IS）： 表示事务想对某些行加共享锁。
  • 意向排他锁（IX）： 表示事务想对某些行加排他锁。

1. 什么是 MVCC？

MVCC（多版本并发控制，Multi-Version Concurrency Control）是一种实现高效并发的机制。
通过维护数据的多个版本，避免了读操作加锁，从而提升数据库性能。
MVCC 是事务隔离实现的关键，特别适用于读多写少的场景（如 OLTP 系统）。

2. MVCC 的核心组件

3. 两种读操作：快照读与当前读

（1）快照读（Snapshot Read）

• 定义： 通过 MVCC 机制读取历史版本数据，而不是直接读取当前数据。
• 特点： 不加锁，性能高。
• 适用场景： 普通 SELECT 语句，例如：

  SELECT * FROM products WHERE stock > 0;
  

（2）当前读（Current Read）

• 定义： 读取最新数据，并加锁防止其他事务修改。
• 特点： 需要加锁，性能较低。
• 适用场景： 修改或加锁读取，例如：

  SELECT * FROM products WHERE id = 1 FOR UPDATE;
  UPDATE products SET stock = stock - 1 WHERE id = 1;
  

4. MVCC 的实现原理

（1）隐藏列与版本控制

• 每行记录都包含两个隐藏列：
  • DB_TRX_ID：记录最后一次修改该行的事务 ID。
  • DB_ROLL_PTR：指向 Undo Log，用于找到之前版本的快照数据。

（2）Undo Log 提供快照

• Undo Log 保存每次更新前的数据版本。
• 快照读时，通过 DB_ROLL_PTR 指针找到 Undo Log，返回快照数据。

（3）Read View 决定可见性

• Read View 内容：

  • 当前活跃事务列表： 包含事务启动时所有尚未提交的事务 ID。
  • 最小活跃事务 ID（min_trx_id）： 活跃事务中最早的事务 ID。
  • 下一个分配事务 ID（max_trx_id）： 尚未分配的事务 ID。

• 数据版本可见性判断规则：

  1. 如果 DB_TRX_ID 小于 min_trx_id，表示该版本在事务启动前已提交，对当前事务可见。
  2. 如果 DB_TRX_ID 大于等于 max_trx_id，表示该版本在事务启动后生成，对当前事务不可见。
  3. 如果 DB_TRX_ID 在活跃事务列表中，表示该版本尚未提交，对当前事务不可见。

（4）隔离级别对快照的影响

• READ COMMITTED： 每次查询生成新的 Read View，读取最新快照数据。
• REPEATABLE READ： 同一事务内的查询使用固定的 Read View，保证多次读取结果一致。

5. Redo Log 和持久性

6. Undo Log 和原子性

7. 数据可见性判断示例

假设：

• 当前事务 ID：10。
• 活跃事务列表：[8, 9]。
• 数据行的 DB_TRX_ID 和 Undo Log 如下：

判断规则：

• 版本 15 的事务未提交，不可见。
• 版本 9 的事务是活跃事务，不可见。
• 版本 7 的事务已提交且早于当前事务启动，可见。

最终结果：stock = 70。

8. 三者关系总结