学习 MySQL 必须了解的几个 Undo 概念

Undo 模块的第一篇，聊聊 Undo 相关的几个概念。

作者：操盛春，爱可生技术专家，公众号『一树一溪』作者，专注于研究 MySQL 和 OceanBase 源码。
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本文基于 MySQL 8.0.32 源码，存储引擎为 InnoDB。

1. 引子

事务执行过程中，如果改变了（插入、更新、删除）表中数据，会产生 Undo 日志。

Undo 日志会存放到磁盘文件中。用于管理 Undo 日志的逻辑结构，从上往下分为 4 层：

• 第 1 层：Undo 表空间。
• 第 2 层：回滚段。
• 第 3 层：Undo 段。
• 第 4 层：Undo 页。

接下来，我们从下往上来介绍这 4 层逻辑结构。

2. Undo 页

Undo 页是用于存放 Undo 日志的直接容器。和存放表中数据的页大小一样，Undo 页的大小也默认为 16K。

一个事务产生的 Undo 日志，可能需要一个或者多个 Undo 页来存放。归属于同一个 Undo 段的多个 Undo 页，会形成一个链表。

3. Undo 段

如果一个事务产生了大量 Undo 日志，就需要有很多 Undo 页来存放这些 Undo 日志。

为了管理数量繁多的 Undo 页，InnoDB 使用了一种称为段的逻辑结构。管理 Undo 页的段，称为 Undo 段。

即使一个事务产生的 Undo 日志只需要一个 Undo 页来存放，这一个 Undo 页依然会使用 Undo 段来管理。毕竟，不到事务提交的时候，谁知道它产生的 Undo 日志需要几个 Undo 页来存放呢？

插入记录产生的 Undo 日志，只用于事务回滚，不会用于读取记录的历史版本。事务提交即将完成时，这些 Undo 日志可以直接清除。

更新、删除记录产生的 Undo 日志，既用于事务回滚，也用于读取记录的历史版本，必须等到任何事务都不需要通过这些 Undo 日志读取记录的历史版本时，它们才能被清除。

这两类操作产生的 Undo 日志的清除时机不同，InnoDB 用不同的 Undo 段，来管理存放插入记录、更新和删除记录产生的 Undo 日志的 Undo 页。

虽然 Undo 段的结构一样，但是，代码里对它们进行了区分：

• Insert Undo 段，用于管理存放插入记录产生的 Undo 日志的 Undo 页。
• Update Undo 段，用于管理存放更新、删除记录产生的 Undo 日志的 Undo 页。

4. 回滚段

InnoDB 支持很多个事务并发执行，根据执行的操作不同、表的类型不同，每个读写事务会分配一个或者多个 Undo 段，数量繁多的 Undo 段同样需要被很好的管理起来。

和管理 Undo 页一样，InnoDB 也使用了段来管理 Undo 段，这种段称为回滚段。

每个回滚段都有个段首页，其中包含 1024 个小格子。每个格子占用 4 字节存储空间，用于保存一个 Undo 段的段首页的页号。这意味着一个回滚段可以管理 1024 个 Undo 段。

如果某个小格子暂时没有管理对应的 Undo 段（或者说这个小格子暂时空闲），那么，它存放的就是 4 字节能够表示的最大整数 4294967295，代码里用 FIL_NULL 来表示。

根据表中数据的生命周期，用户创建的表可以分为两类：

• 用户普通表：MySQL 重启之后，表结构和表中数据都存在。
• 用户临时表：MySQL 重启之后，表结构存在，表中数据被丢弃。

事务改变（插入、更新、删除）用户普通表的数据，MySQL 重启之后，回滚未提交完成的事务时，需要通过 Undo 日志来把记录恢复到改变之前的样子。这要求保证 Undo 日志不丢失，改变数据产生 Undo 日志的同时，需要产生对应的 Redo 日志，以保证 Undo 日志的持久化。

事务改变（插入、更新、删除）用户临时表的数据，MySQL 重启之后，表中数据就会被丢弃。回滚未提交完成的事务时，不需要把记录恢复到改变之前的样子。这种情况下，不需要保证 Undo 日志不丢失，改变记录产生的 Undo 日志不需要持久化，也就不会产生对应的 Redo 日志。

产生 Undo 日志时，是否需要产生对应的 Redo 日志，两者的性能不同。改变用户普通表、用户临时表的数据，InnoDB 会分配不同的回滚段。

读写事务分配回滚段，可以分为三种情况：

• 如果事务只改变了用户普通表的数据，分配一个回滚段。
• 如果事务只改变了用户临时表的数据，分配一个回滚段。
• 如果事务既改变了用户普通表的数据，又改变了用户临时表的数据，分配两个回滚段。

5. Undo 表空间

磁盘上用于存放 Undo 日志的文件，在逻辑上称为 Undo 表空间。

MySQL 作为一个支持高并发的数据库，允许同时执行很多个事务。根据改变数据的表的类型不同，每个读写事务会分配一个或者两个回滚段，可能会存在比事务数量更多的回滚段。

如果所有回滚段、回滚段管理的 Undo 段、Undo 段管理的 Undo 页，都存放到一个 Undo 表空间中，可能会导致 Undo 表空间文件占用磁盘空间巨大。

虽然 InnoDB 会根据系统变量 innodb_undo_log_truncate、innodb_max_undo_log_size 的值，自动截断 Undo 表空间，把 Undo 表空间文件恢复到初始创建时的大小，但是这有一个条件，就是这个 Undo 表空间中所有回滚段都处于未被使用状态。

如果读写事务不断，只有一个 Undo 表空间，显然就无法做到自动截断了。

那么，想要手动截断可行吗？

靠拼手速，找到一个没有任何读写事务的间隙，显然更不可行了。

为此，InnoDB 支持多个 Undo 表空间。Undo 表空间的数量由系统变量 innodb_undo_tablespaces 控制，默认值为 2（最小值，这意味着至少有 2 个 Undo 表空间），最大值为 127。

既然有了多个 Undo 表空间，每个 Undo 表空间中回滚段的数量，也需要确定下来，不能你多我少，你少我多，大家得一样多，这样才好管理。每个 Undo 表空间中回滚段的数量由系统变量 innodb_rollback_segments 控制，默认值及最大值都为 128，最小值为 1。

6. 总结

Undo 表空间管理回滚段、回滚段管理 Undo 段、Undo 段管理 Undo 页、Undo 页管理 Undo 日志。

InnoDB 支持 2 ~ 127 个表 Undo 表空间，每个 Undo 表空间支持 128 个回滚段，总共支持 256 ~ 16256 个回滚段。

每个回滚段管理 1024 个 Undo 段，总共支持 262144 ~ 16646144 个 Undo 段。

留个小问题，欢迎评论区留言互动：只考虑 Undo 段的数量限制，127 个 Undo 表空间最多、最少支持同时执行多少个读写事务？