2.2 Undo Log
Undo Log在MySQL事务的实现中也起着至关重要的作用，MySQL中事务的一致性是由Undo Log实现的。本节对MySQL中的Undo Log进行介绍，主要包括Undo Log文件的基本概念、存储方式、基本原理、MVCC机制和Undo Log文件的常见参数配置。
2.2.1 Undo Log基本概念
Undo Log在MySQL事务的实现中主要起到两方面的作用：回滚事务和多版本并发事务，也就是常说的MVCC机制。
在MySQL启动事务之前，会先将要修改的数据记录存储到Undo Log中。如果数据库的事务回滚或者MySQL数据库崩溃，可以利用Undo Log对数据库中未提交的事务进行回滚操作，从而保证数据库中数据的一致性。
Undo Log会在事务开始前产生，当事务提交时，并不会立刻删除相应的Undo Log。此时，InnoDB存储引擎会将当前事务对应的Undo Log放入待删除的列表，接下来，通过一个后台线程purge thread进行删除处理。
Undo Log与Redo Log不同，Undo Log记录的是逻辑日志，可以这样理解：当数据库执行一条insert语句时，Undo Log会记录一条对应的delete语句；当数据库执行一条delete语句时，Undo Log会记录一条对应的insert语句；当数据库执行一条update语句时，Undo Log会记录一条相反的update语句。
当数据库崩溃重启或者执行回滚事务时，可以从Undo Log中读取相应的数据记录进行回滚操作。
MySQL中的多版本并发控制也是通过Undo Log实现的，当select语句查询的数据被其他事务锁定时，可以从Undo Log中分析出当前数据之前的版本，从而向客户端返回之前版本的数据。
需要注意的是，因为MySQL事务执行过程中产生的Undo Log也需要进行持久化操作，所以Undo Log也会产生Redo Log。由于Undo Log的完整性和可靠性需要Redo Log来保证，因此数据库崩溃时需要先做Redo Log数据恢复，然后做Undo Log回滚。
2.2.2 Undo Log存储方式
在MySQL中，InnoDB存储引擎对于Undo Log的存储采用段的方式进行管理，在InnoDB存储引擎的数据文件中存在一种叫作rollback segment的回滚段，这个回滚段内部有1024个undo log segment段。
Undo Log默认存放在共享数据表空间中，默认为ibdata1文件中。如果开启了innodb_file_per_table参数，就会将Undo Log存放在每张数据表的.ibd文件中。
默认情况下，InnoDB存储引擎会将回滚段全部写在同一个文件中，也可以通过innodb_undo_tablespaces变量将回滚段平均分配到多个文件中。innodb_undo_tablespaces变量的默认值为0，表示将rollback segment回滚段全部写到同一个文件中。
需要注意的是，innodb_undo_tablespaces变量只能在停止MySQL服务的情况下修改，重启MySQL服务后生效，但是不建议修改这个变量的值。
2.2.3 Undo Log基本原理
Undo Log写入磁盘时和Redo Log一样，默认情况下都需要经过内核空间的OS Buffer，如图2-5所示。
同样，如果在打开日志文件时设置了O_DIRECT标志位，就可以不经过操作系统内核空间的OS Buffer，直接向磁盘写入数据，这点和Redo Log也是一样的。
这里依然以商城系统的下单业务为例来简单说明Undo Log的基本原理，如图2-6所示。
从图2-6中可以看出，MySQL数据库事务提交之前，InnoDB存储引擎会将数据表中修改前的数据保存到Undo Log Buffer。Undo Log Buffer中的数据会持久化到磁盘的Undo Log文件中。当数据库发生故障重启或者事务回滚时，InnoDB存储引擎会读取Undo Log中的数据，将事务还未提交的数据回滚到最初的状态。同时，系统可以根据需要查询并加载订单表中的数据，也就是加载order.ibd文件中的数据，也可以向订单表写入数据，也就是持久化数据到order.ibd文件中。
2.2.4 Undo Log实现MVCC机制
在MySQL中，Undo Log除了实现事务的回滚操作外，另一个重要的作用就是实现多版本并发控制，也就是MVCC机制。在事务提交之前，向Undo Log保存事务当前的数据，这些保存到Undo Log中的旧版本数据可以作为快照供其他并发事务进行快照读。
图2-5 Undo Log Buffer写日志到Undo Log文件的示意图
图2-6 商城业务用户下单时MySQL内部Undo Log的基本原理
Undo Log的回滚段中，undo logs分为insert undo log和update undo log。
1）insert undo log：事务对插入新记录产生的Undo Log，只在事务回滚时需要，在事务提交后可以立即丢弃。
2）update undo log：事务对记录进行删除和更新操作时产生的Undo Log，不仅在事务回滚时需要，在一致性读时也需要，因此不能随便删除，只有当数据库所使用的快照不涉及该日志记录时，对应的回滚日志才会被purge线程删除。
关于InnoDB实现MVCC机制，简单点理解就是InnoDB存储引擎在数据表的每行记录后面保存了两个隐藏列，一个隐藏列保存行的创建版本，另一个隐藏列保存行的删除版本。每开始一个新的事务，这些版本号就会递增。
在可重复读隔离级别下，MVCC机制在增删改查操作下分别按照如下方式实现。
1）当前操作是select操作时，InnoDB存储引擎只会查找版本号小于或者等于当前事务版本号的数据行，这样可以保证事务读取的数据行要么之前就已经存在，要么是当前事务自身插入或者修改的记录。另外，行的删除版本号要么未定义，要么大于当前事务的版本号，这样可以保证事务读取的行在事务开始之前没有被删除。
2）当前操作是insert操作时，将当前事务的版本号保存为当前行的创建版本号。
3）当前操作是delete操作时，将当前事务的版本号保存为删除的数据行的删除版本号，作为行删除标识。
4）当前操作是update操作时，InnoDB存储引擎会将待修改的行复制为新的行，将当前事务的版本号保存为新数据行的创建版本号，同时保存当前事务的版本号为原来数据行的删除版本号。
需要注意的是，将当前事务的版本号保存为行删除版本号时，相应的数据行并不会被真正删除，当事务提交时，会将这些行记录放入一个待删除列表，因此需要根据一定的策略对这些标识为删除的行进行清理。为此，InnoDB存储引擎会开启一个后台线程进行清理工作，是否可以清理需要后台线程来判断。
为便于读者理解Undo Log实现MVCC机制的原理，上面介绍的实现过程经过了简化。从本质上说，为实现MVCC机制，InnoDB存储引擎在数据库每行数据的后面添加了3个字段：6字节的事务id（DB_TRX_ID）字段、7字节的回滚指针（DB_ROLL_PTR）字段、6字节的DB_ROW_ID字段。每个字段的作用如下所示。
1）6字节的事务id（DB_TRX_ID）字段。
用来标识最近一次对本行记录做修改（insert、update）的事务的标识符，即最后一次修改本行记录的事务id。如果是delete操作，在InnoDB存储引擎内部也属于一次update操作，即更新行中的一个特殊位，将行标识为已删除，并非真正删除。
2）7字节的回滚指针（DB_ROLL_PTR）字段。
主要指向上一个版本的行记录，能够从最新版本的行记录逐级向上，找到要查找的行版本记录。
3）6字节的DB_ROW_ID字段。
这个字段包含一个随着新数据行的插入操作而单调递增的行id，当由InnoDB存储引擎自动产生聚集索引时，聚集索引会包含这个行id，否则这个行id不会出现在任何索引中。
为了方便读者理解，这里举一个简单的示例。假设有事务A和事务B两个事务，事务A对商品数据表中的库存字段进行更新，同时事务B读取商品的信息。Undo Log实现的MVCC机制流程如图2-7所示。
图2-7 Undo Log实现的MVCC机制流程
手动开启事务A后，更新商品数据表中id为1的数据，首先会把更新命令中的数据写入Undo Buffer中。在事务A提交之前，事务B手动开启事务，查询商品数据表中id为1的数据，此时的事务B会读取Undo Log中的数据并返回给客户端。
2.2.5 Undo Log相关参数
在MySQL命令行输入如下命令可以查看Undo Log相关的参数。
show variables like "%undo%";
其中几个重要的参数说明如下所示。
1）innodb_max_undo_log_size：表示Undo Log空间的最大值，当超过这个阈值（默认是1GB），会触发truncate回收（收缩）操作，回收操作后，Undo Log空间缩小到10MB。
2）innodb_undo_directory：表示Undo Log的存储目录。
3）innodb_undo_log_encrypt：MySQL 8中新增的参数，表示Undo Log是否加密，OFF表示不加密，ON表示加密，默认为OFF。
4）innodb_undo_log_truncate：表示是否开启在线回收Undo Log文件操作，支持动态设置，ON表示开启，OFF表示关闭，默认为OFF。
5）innodb_undo_tablespaces：此参数必须大于或等于2，即回收一个Undo Log时，要保证另一个Undo Log是可用的。
6）innodb_undo_logs：表示Undo Log的回滚段数量，此参数的值至少大于或等于35，默认为128。
7）innodb_purge_rseg_truncate_frequency：用于控制回收Undo Log的频率。Undo Log空间在回滚段释放之前是不会回收的，要想增加释放回滚区间的频率，就要降低innodb_purge_rseg_truncate_frequency参数的值。