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MySQL是如何保证数据的完整性

    数据的一致性和完整性对于在线业务的重要性不言而喻,如何保证数据不丢呢?今天我们就探讨下关于数据的完整性和强一致性,MySQL做了哪些改进。

    一. MySQL的二阶段提交

        在Oracle和MySQL这种关系型数据库中,讲究日志先行策略(Write-Ahead Logging),只要日志持久化到磁盘,就能保证MySQL异常重启后,数据不丢失。在MySQL中,提到日志不得不提的就是redo log和binlog。

    1. redo log

    redo log又称重做日志文件,详细的记录了对每一个数据页里面的数据行的修改,记录的是数据修改之后的值。Redo log是用来做数据库crash recovery的,是保证数据安全的非常重要的功能之一。

    redo log的写入的方式是顺序写、循环写,通过innodb_log_file_size和innodb_log_files_in_group两个参数控制redo log的文件大小和个数。redo log在写入磁盘前会先写redo log buffer中,大小由innodb_log_buffer_size控制。日志在写入redo log buffer后是如何持久化到磁盘的呢?为了控制redo log的写入策略,Innodb根据innodb_flush_log_at_trx_commit参数不同的取值采用不同的策略,它有三种不同的取值:

    • 1. 设置为 0 的时候:事务提交时由MySQL的后台Master线程每隔1秒将缓存区的文件刷新到日志文件中。
    • 2. 设置为 1 的时候,表示每次事务提交时都将 redo log 直接持久化到磁盘,保证了事务日志不丢失,但会对数据库性能稍有影响。
    • 3. 设置为 2 的时候,表示每次事务提交时都只是把 redo log 写到 日志文件中,但不会刷盘,由文件系统自行刷磁盘。

    三种模式下,0的性能最好,但是不安全,MySQL进程一旦崩溃会导致丢失一秒的数据。1的安全性最高,但是对性能影响最大,2的话主要由操作系统自行控制刷磁盘的时间,如果仅仅是MySQL宕机,对数据不会产生影响,如果是主机异常宕机了,同样会丢失数据。

    2. binlog

    binlog又称二进制日志,记录了对MySQL数据库执行更改的所有操作,不包含select和show操作,主要起到了恢复、复制、审计等功能。Binlog的格式主要有statement、row、mixed三种。

    Statement:基于操作的SQL语句记录到binlog中,不建议使用。

    Row:基于行的变更情况记录,会记录行更改前后的内容,row模式也是数据库不丢数据的重要保证,推荐使用。

    Mixed:混合前两个模式,不建议使用。

    Binlog的写入逻辑也比较简单:事务执行过程中,先写入binlog cache,事务提交时再写入binlog文件。binlog cache由binlog_cache_size和max_binlog_size参数控制,每个线程分配一个binlog cache,但是共用binlog文件。

    Binlog的写入日志文件的机制由sync_binlog控制:

    • 1. sync_binlog=0 的时候,表示每次提交事务都只 write,不 fsync;
    • 2. sync_binlog=1 的时候,表示每次提交事务都会执行 fsync,将数据刷盘;
    • 3. sync_binlog=N(N>1) 的时候,表示n次事务提交之后,MySQL才进行一次fsync动作,将binlog cache中的数据刷入磁盘。

    innodb_flush_log_at_trx_commit和sync_binlog都设置为1是MySQL数据中经典的双一模式,是数据库不丢数据的保障。

    MySQL数据采取WAL机制就是为了减少每次脏数据刷盘带来的性能影响,如果设置”双一”策略会不会影响数据库的性能呢?其实这主要得益于redo log和binlog都是顺序写,磁盘的顺序写比随机写的速度要快的多,加上MySQL内部的组提交机制,已经大幅降低了对磁盘的IOPS消耗了。

    3. 两阶段提交

    MySQL引入二阶段提交(two phase commit or 2pc),MySQL内部会将普通事务当做一个XA事务(内部分布式事务)来处理,会自动为每个事务分配一个唯一的ID(XID),COMMIT会被动的分成Prepare和Commit两个阶段。

    第一阶段:Transaction Prepare Phase

    此时SQL已经成功执行,并生成xid信息及redo和undo的内存日志。然后调用prepare方法完成第一阶段,将事务状态设为TRX_PREPARED,并将redo log刷盘。

    第二阶段:Commit Phase

    如果事务第一阶段进入prepare阶段,则将产生的binlog写入文件并刷盘,此时事务已经铁定要提交了。

    具体异常场景分析:

    1. 当事务在prepare阶段crash,数据库recovery的时候该事务未写⼊Binary log并且存储引擎未提交,则该事务rollback。

    2. 当事务在binlog阶段crash,此时⽇志还没有成功写⼊到磁盘中,启动时会rollback此事务。3. 当事务在binlog⽇志已经fsync()到磁盘后crash,但是InnoDB没有来得及commit,此时MySQL数据库recovery的时候将会读出⼆进制⽇志的Xid_log_event,然后告诉InnoDB提交这些XID的事务,InnoDB提交完这些事务后会回滚其它的事务,使存储引擎和⼆进制⽇志始终保持⼀致。

    MySQL的二阶段提交就保证了数据库在异常宕机重启后的数据不丢失。

    二. Double Write

        前面我们说了,redo log、binlog以及二阶段提交保证了数据在MySQL异常重启后能够通过前滚和回滚恢复数据。MySQL在recovery时通过redo log进行恢复,redo log记录的是页上的物理操作,但是这里有个问题,如果页本身就是错的,比如发生页的部分写问题(页大小是 16K,假设在把内存中的脏页写到数据库的时候,写了4K 突然掉电。也就是前两 4K 是新的,后 12K 是旧的,那么这个数据页就是不完整的,是一个坏掉的数据页), 这时redo恢复的时候会去校验数据页的完整性,此时数据页已经损坏了,故无法使用 redo log 进行恢复,这个数据就丢失了。

    Double Write原理:

    1、当刷新缓冲池脏页时,并不直接写到数据文件中,而是先拷贝至double write buffer。

    2、然后从double write buffer分两次写入磁盘共享表空间中,每次写入 1MB。

    3、最后再从double write buffer写入数据文件。虽然数据总是写入两次,但是由于double write 写入的时候是顺序写,实际上也就牺牲了系统性能的 10%左右。

    这样就可以解决上文提到的部分写失效的问题,因为在磁盘共享表空间中已有数据页副本拷贝,如果数据库在页写入数据文件的过程中宕机,在实例恢复时,可以从共享表空间中找到该页副本,将其拷贝覆盖原有的数据页,再应用重做日志即可。

    3. 小结

        今天我们聊了MySQL的二阶段提交和double write机制,分别解决了在MySQL宕机重启以及发生页的部分写的场景下,MySQL是如何做到不丢失数据。那如果我们的操作系统宕机无法启动了,又该怎么办呢?MySQL在集群架构中又做了哪些优化来保证数据不丢失呢?我们下一章再来和大家分享MySQL在集群架构中的优化改进。