MySQL系列：innodb源码分析之重做日志结构

浏览数：45 / 时间：2015年06月12日

在innodb的引擎实现中，为了实现事务的持久性，构建了重做日志系统。重做日志由两部分组成：内存日志缓冲区(redo log buffer)和重做日志文件。这样设计的目的显而易见，日志缓冲区是为了加快写日志的速度，而重做日志文件为日志数据提供持久化的作用。在innodb的重做日志系统中，为了更好实现日志的易恢复性、安全性和持久化性，引入了以下几个概念：LSN、log block、日志文件组、checkpoint和归档日志。以下我们分别一一来进行分析。

1.LSN

在innodb中的重做日志系统中，定义一个LSN序号，其代表的意思是日志序号。LSN在引擎中定义的是一个dulint_t类型值，相当于uint64_t,关于dulint_t的定义如下：

typedef struct dulint_struct
{
     ulint high;     /* most significant 32 bits */
     ulint low;       /* least significant 32 bits */
}dulint_t;
LSN真正的含义是储存引擎向重做日志系统写入的日志量（字节数），这个日志量包括写入的日志字节 + block_header_size + block_tailer_size。LSN的初始化值是：LOG_START_LSN（相当于8192），在调用日志写入函数LSN就一直随着写入的日志长度增加，具体看:

void log_write_low(byte* str, ulint str_len)
{
 log_t* log = log_sys;
. . .
part_loop:
 /*计算part length*/
 data_len = log->buf_free % OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE + str_len;
.  .  . 
 /*将日志内容拷贝到log buffer*/
 ut_memcpy(log->buf + log->buf_free, str, len);
 str_len -= len;
 str = str + len;
 . . .
 if(data_len = OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE - LOG_BLOCK_TRL_SIZE){ /*完成一个block的写入*/
. . .
      len += LOG_BLOCK_HDR_SIZE + LOG_BLOCK_TRL_SIZE;
      log->lsn = ut_dulint_add(log->lsn, len);
 . . .
 }
 else /*更改lsn*/
  log->lsn = ut_dulint_add(log->lsn, len);
 . . .
}

LSN是不会减小的，它是日志位置的唯一标记。在重做日志写入、checkpoint构建和PAGE头里面都有LSN。

关于日志写入:

例如当前重做日志的LSN = 2048,这时候innodb调用log_write_low写入一个长度为700的日志，2048刚好是4个block长度，那么需要存储700长度的日志，需要量个BLOCK(单个block只能存496个字节)。那么很容易得出新的LSN = 2048 + 700 + 2 * LOG_BLOCK_HDR_SIZE(12) + LOG_BLOCK_TRL_SIZE(4) = 2776。

关于checkpoint和日志恢复：

在page的fil_header中的LSN是表示最后刷新是的LSN, 假如数据库中存在PAGE1 LSN  = 1024，PAGE2 LSN = 2048， 系统重启时，检测到最后的checkpoint LSN = 1024，那么系统在检测到PAGE1不会对PAGE1进行恢复重做，当系统检测到PAGE2的时候，会将PAGE2进行重做。一次类推，小于checkpoint LSN的页不用重做，大于LSN checkpoint的PAGE就要进行重做。

2.Log Block

innodb在日志系统里面定义了log block的概念，其实log block就是一个512字节的数据块，这个数据块包括块头、日志信息和块的checksum.其结构如下：

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Block no的最高位是描述block是否flush磁盘的标识位.通过lsn可以blockno,具体的计算过程是lsn是多少个512的整数倍，也就是no = lsn / 512 + 1;为什么要加1呢，因为所处no的块算成clac_lsn一定会小于传入的lsn.所以要+1。其实就是block的数组索引值。checksum是通过从块头开始到块的末尾前4个字节为止，做了一次数字叠加，代码如下：

sum = 1;
 sh = 0;
 for(i = 0; i < OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE - LOG_BLOCK_TRL_SIZE, i ++){
      sum = sum & 0x7FFFFFFF;
      sum += (((ulint)(*(block + i))) << sh) + (ulint)(*(block + i));
      sh ++;
      if(sh > 24) 
        sh = 0;
 }
在日志恢复的时候，innodb会对加载的block进行checksum校验，以免在恢复过程中数据产生错误。事务的日志写入是基于块的，如果事务的日志大小小于496字节，那么会合其他的事务日志合并在一个块中，如果事务日志的大小大于496字节，那么会以496为长度进行分离存储。例如：T1 = 700字节大小，T2 = 100字节大小存储结构如下：

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3.重做日志结构和关系图

 innodb在重做日志实现当中，设计了3个层模块，即redo log buffer、group files和archive files。这三个层模块的描述如下：

redo log buffer        重做日志的日志内存缓冲区，新写入的日志都是先写入到这个地方.redo log buffer中数据同步到磁盘上，必须进行刷盘操作。

group files       重做日志文件组，一般由3个同样大小的文件组成。3个文件的写入是依次循环的，每个日志文件写满后，即写下一个，日志文件如果都写满时，会覆盖第一次重新写。重做日志组在innodb的设计上支持多个。

archive files         归档日志文件，是对重做日志文件做增量备份，它是不会覆盖以前的日志信息。

 以下是它们关系示意图:
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3.1重做日志组

重做日志组可以支持多个，这样做的目的应该是为了防止一个日志组损坏后，可以从其他并行的日志组里面进行数据恢复。在MySQL-5.6的将日志组的个数设置为1，不允许多个group存在。网易姜承尧的解释是innodb的作者认为通过外层存储硬件来保证日志组的完整性比较好，例如raid磁盘。重做日志组的主要功能是实现对组内文件的写入管理、组内的checkpoint建立和checkpiont信息的保存、归档日志状态管理（只有第一个group才做archive操作）.以下是对日志组的定义:

typedef struct log_group_struct
{
 ulint id;                             /*log group id*/
 ulint n_files;                     	/*group包含的日志文件个数*/
 ulint file_size;                  	/*日志文件大小，包括文件头*/
 ulint space_id;                 	/*group对应的fil_space的id*/
 ulint state;                        /*log group状态，LOG_GROUP_OK、LOG_GROUP_CORRUPTED*/
 dulint lsn;                         /*log group的lsn*/
 dulint lsn_offset;             	/*当前lsn相对组内文件起始位置的偏移量 */
 ulint n_pending_writes; 		/*本group 正在执行fil_flush的个数*/
 byte** file_header_bufs; 	/*文件头缓冲区*/
 byte** archive_file_header_bufs;/*归档文件头信息的缓冲区*/
 ulint archive_space_id;     	/*归档重做日志ID*/
 ulint archived_file_no;     	/*归档的日志文件编号*/
 ulint archived_offset;     	/*已经完成归档的偏移量*/
 ulint next_archived_file_no;	/*下一个归档的文件编号*/
 ulint next_archived_offset;	/*下一个归档的偏移量*/
 dulint scanned_lsn;
 byte* checkpoint_buf; 		/*本log group保存checkpoint信息的缓冲区*/
 UT_LIST_NODE_T(log_group_t) log_groups;
}log_group_t;

上面结构定义中的spaceid是对应fil0fil中的fil_space_t结构，一个fil_space_t结构可以管理多个文件fil_node_t，关于fil_node_t参见这里。

3.1.1LSN与组内偏移

   在log_goup_t组内日志模块当中，其中比较重要的是关于LSN与组内偏移之间的换算关系。在组创建时，会对lsn和对应lsn_offset做设置，假如 初始化为 group lsn = 1024,  group lsn_offset = 2048，group由3个10240大小的文件组成，LOG_FILE_HDR_SIZE = 2048, 我们需要知道buf lsn = 11240对应的组内offset的偏移是多少，根据log_group_calc_lsn_offset函数可以得出如下公式：
    group_size = 3 * 11240;
   相对组起始位置的LSN偏移 = (buf_ls - group_ls)  + log_group_calc_size_offset(lsn_offset ) = (11240 - 1024) - 0 = 10216;
   lsn_offset = log_group_calc_lsn_offset(相对组起始位置的LSN偏移 % group_size) = 10216 + 2 * LOG_FILE_HDR_SIZE = 14312;
这个偏移一定是加上了文件头长度的。

3.1.2 file_header_bufs

file_header_bufs是一个buffer缓冲区数组，数组长度和组内文件数是一致的，每个buf长度是2048。其信息结构如下：

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  log_group_id      对应log_group_t结构中的id

  file_start_lsn    当前文件其实位置数据对应的LSN值

  File_no           当前的文件编号,一般在archive file头中体现

  Hot backup str    一个空字符串,如果是hot_backup,会填上文件后缀ibackup。

  File_end_ls       文件结尾数据对应的LSN值，一般在archive file文件中体现。

3.2 checkpoint

checkpoint是日志的检查点，其作用就是在数据库异常后，redo log是从这个点的信息获取到LSN,并对检查点以后的日志和PAGE做重做恢复。那么检查点是怎么生成的呢？当日志缓冲区写入的日志LSN距离上一次生成检查点的LSN达到一定差距的时候，就会开始创建检查点，创建检查点首先会将内存中的表的脏数据写入到硬盘，让后再将redo log buffer中小于本次检查点的LSN的日志也写入硬盘。在log_group_t中的checkpoint_buf，以下是它对应字段的解释:

 LOG_CHECKPOINT_NO            checkpoint序号，

 LOG_CHECKPOINT_LSN           本次checkpoint起始的LSN

 LOG_CHECKPOINT_OFFSET        本次checkpoint相对group file的起始偏移量

 LOG_CHECKPOINT_LOG_BUF_SIZE  redo log buffer的大小，默认2M

 LOG_CHECKPOINT_ARCHIVED_LSN  当前日志归档的LSN

 LOG_CHECKPOINT_GROUP_ARRAY   每个log group归档时的文件序号和偏移量,是一个数组

3.3 log_t

重做日志的写入、数据刷盘、建立checkpoint和归档操作都是通过全局唯一的,log_sys进行控制的，这是个非常庞大而又复杂的结构，定义如下：

typedef struct log_struct
{
 byte pad[64];                     /*使得log_struct对象可以放在通用的cache line中的数据，这个和CPU L1 Cache和数据竞争有和
直接关系*/
 dulint lsn;                    	/*log的序列号,实际上是一个日志文件偏移量*/
 ulint buf_free;             	/*buf可以写的位置*/
 
 mutex_t mutex;         		/*log保护的mutex*/
 byte* buf;                   	/*log缓冲区*/
 ulint buf_size;             	/*log缓冲区长度*/
 ulint max_buf_free;     		/*在log buffer刷盘后，推荐buf_free的最大值，超过这个值会被强制刷盘*/
 
 ulint old_buf_free;       		/*上次写时buf_free的值,用于调试*/
 dulint old_lsn;             	/*上次写时的lsn,用于调试*/
 ibool check_flush_or_checkpoint; /*需要日志写盘或者是需要刷新一个log checkpoint的标识*/
 ulint buf_next_to_write;             /*下一次开始写入磁盘的buf偏移位置*/
 dulint written_to_some_lsn;         /*第一个group刷完成是的lsn*/
 dulint written_to_all_lsn;             /*已经记录在日志文件中的lsn*/
 dulint flush_lsn;                       /*flush的lsn*/
 ulint flush_end_offset;               /*最后一次log file刷盘时的buf_free，也就是最后一次flush的末尾偏移量*/
 ulint n_pending_writes;              /*正在调用fil_flush的个数*/
 os_event_t no_flush_event;          /*所有fil_flush完成后才会触发这个信号,等待所有的goups刷盘完成*/ 
 ibool one_flushed;                   /*一个log group被刷盘后这个值会设置成TRUE*/
 os_event_t one_flushed_event;     /*只要有一个group flush完成就会触发这个信号*/
 ulint n_log_ios;                        /*log系统的io操作次数*/
 ulint n_log_ios_old;                   /*上一次统计时的io操作次数*/
 time_t last_printout_time;
 ulint max_modified_age_async;     /*异步日志文件刷盘的阈值*/
 ulint max_modified_age_sync;       /*同步日志文件刷盘的阈值*/
 ulint adm_checkpoint_interval;
 ulint max_checkpoint_age_async;    /*异步建立checkpoint的阈值*/
 ulint max_checkpoint_age;            /*强制建立checkpoint的阈值*/
 dulint next_checkpoint_no;
 dulint last_checkpoint_lsn;
 dulint next_checkpoint_lsn;
 ulint n_pending_checkpoint_writes;
 rw_lock_t checkpoint_lock;            /*checkpoint的rw_lock_t,在checkpoint的时候，是独占这个latch*/
 byte* checkpoint_buf;                 /*checkpoint信息存储的buf*/
 ulint archiving_state;
 dulint archived_lsn;
 dulint max_archived_lsn_age_async;
 dulint max_archived_lsn_age;
 dulint next_archived_lsn;
 ulint archiving_phase;
 ulint n_pending_archive_ios;
 rw_lock_t archive_lock;
 ulint archive_buf_size;
 byte* archive_buf;
 os_event_t archiving_on;
 ibool online_backup_state;             /*是否在backup*/
 dulint online_backup_lsn;                /*backup时的lsn*/
 UT_LIST_BASE_NODE_T(log_group_t) log_groups;
}log_t;

3.3.1各种LSN之间的关系和分析

从上面的结构定义可以看出有很多LSN相关的定义，那么这些LSN直接的关系是怎么样的呢？理解这些LSN之间的关系对理解整个重做日志系统的运作机理会有极大的信心。以下各种LSN的解释：

 lsn                        当前log系统最后写入日志时的LSN

 flush_lsn                  redolog buffer最后一次数据刷盘数据末尾的LSN，作为下次刷盘的起始LSN

 written_to_some_lsn       单个日志组最后一次日志刷盘时的起始LSN

 written_to_all_lsn         所有日志组最后一次日志刷盘是的起始LSN

 last_checkpoint_lsn        最后一次建立checkpoint日志数据起始的LSN

 next_checkpoint_lsn        下一次建立checkpoint的日志    数据起始的LSN,用log_buf_pool_get_oldest_modification获得的

 archived_lsn               最后一次归档日志数据起始的LSN

 next_archived_lsn          下一次归档日志数据的其实LSN  

关系图如下：

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3.3.2偏移量的分析

log_t有各种偏移量，例如：max_buf_free、buf_free、flush_end_offset、buf_next_to_write等。偏移和LSN不一样，偏移量是相对redo log buf其实位置的绝对偏移量，LSN是整个日志系统的序号。

  max_buf_free        写入日志是不能超过的偏移位置，如果超过，将强制redo log buf写入磁盘

  buf_free            当前日志可以写的偏移位置

  buf_next_to_write   下一次redo log buf数据写盘的数据起始偏移,在所有刷盘IO完成后，其值和 flush_end_offset是一致的。

  flush_end_offset    本次刷盘的数据末尾的偏移量，相当于刷盘时的buf_free,当flush_end_offset 超过max_buf_free的一半时会将未写入的数据移到                       redobuffer的最前面，这时buf_free和buf_next_to_write都将做调整

大小关系图如下：

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3.4内存结构关系图

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4.日志写入和日志保护机制

 innodb有四种日志刷盘行为,分别是异步redo log buffer刷盘、同步redo log buffer刷盘、异步建立checkpoint刷盘和同步建立checkpoint刷盘。在innodb中，刷盘行为是非常耗磁盘IO的，innodb对刷盘做了一套非常完善的策略。

 

4.1重做日志刷盘选项

在innodb引擎中有个全局变量srv_flush_log_at_trx_commit,这个全局变量是控制flushdisk的策略，也就是确定调不调用fsync这个函数，什么时候掉这个函数。这个变量有3个值。这三个值的解释如下：

0     每隔1秒由MasterThread控制重做日志模块调用log_flush_to_disk来刷盘，好处是提高了效率，坏处是1秒内如果数据库崩溃，日志和数据会丢失。

1     每次写入重做日志后，都调用fsync来进行日志写入磁盘。好处是每次日志都写入了磁盘，数据可靠性大大提高，坏处是每次调用fsync会产生大量的磁盘IO，影响数据库性能。

2     每次写入重做日志后，都将日志写入日志文件的page cache。这种情况如果物理机崩溃后，所有的日志都将丢失。

4.2日志刷盘保护

 由于重做日志是一个组内多文件重复写的一个过程，那么意味日志如果不及时写盘和创建checkpoint，就有可能会产生日志覆盖，这是一个我们不愿意看到的。在innodb定义了一个日志保护机制，在存储引擎会定时调用log_check_margins日志函数来检查保护机制。简单介绍如下：

 引入三个变量 buf_age、checkpoint_age和日志空间大小.       

           buf_age = lsn -oldest_lsn;

           checkpoint_age =lsn - last_checkpoint_lsn;

          日志空间大小 = 重做日志组能存储日志的字节数（通过log_group_get_capacity获得）；

当buf_age >=日志空间大小的7/8时，重做日志系统会将red log buffer进行异步数据刷盘，这个时候因为是异步的，不会造成数据操作阻塞。


当buf_age >=日志空间大小的15/16时,重做日志系统会将redlog buffer进行同步数据刷盘，这个时候会调用fsync函数，数据库的操作会进行阻塞。

       

当 checkpoint_age >=日志空间大小的31/32时,日志系统将进行异步创建checkpoint，数据库的操作不会阻塞。

 

当 checkpoint_age == 日志空间大小时，日志系统将进行同步创建checkpoint,大量的表空间脏页和log文件脏页同步刷入磁盘，会产生大量的磁盘IO操作。数据库操作会堵塞。整个数据库事务会挂起。

5.总结

       Innodb的重做日志系统是相当完备的，它为数据的持久化做了很多细微的考虑,它效率直接影响MySQL的写效率，所以我们深入理解了它便以我们去优化它，尤其是在大量数据刷盘的时候。假设数据库的受理的事务速度大于磁盘IO的刷入速度，一定会出现同步建立checkpoint操作，这样数据库是堵塞的，整个数据库都在都在进行脏页刷盘。避免这样的问题发生就是增加IO能力，用多磁盘分散IO压力。也可以考虑SSD这读写速度很高的存储介质来做优化。

 

 




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