MySQL是如何保证数据不丢失的？

前言

上篇文章《InnoDB在SQL查询中的关键功能和优化策略》对InnoDB的查询操作和优化事项进行了说明。但是，MySQL作为一个存储数据的产品，怎么确保数据的持久性和不丢失才是最重要的，感兴趣的可以跟随本文一探究竟。

Buffer Pool 和 DML 的关系

InnoDB中的「Buffer Pool」除了在查询时起到提高效率作用，同样，在insert、update、delete这些DML操作时为了减少和磁盘的频繁交互，也会将这些更新先在Buffer Pool中缓存的数据页进行操作，随后将这些有更新的「脏页」刷到磁盘中。

这个时候就涉及到一个问题：如果MySQL服务宕机了，这些在内存中更新的数据会不会丢失？

答案是一定会存在丢失现象的，只不过MySQL做到了尽量不让数据丢失。接下来来看一下MySQL是怎么做的。

这里还是把结构图贴一下，方便下面介绍时看图理解。

DML操作流程

加载数据页

通过上文可以知道，行记录是在数据页中，所以，当InnoDB接收到DML操作请求后，还是会去找「数据页」，查找的过程跟上文查询行记录流程是一样。这里说一下，insert的请求会根据主键索引去找数据页，update、delete根据查询条件去找数据页，总之「数据页」要加载到「Buffer Pool」之后才会进行下一步操作。

更新记录

定位到数据页后，insert操作就是往数据页中添加一行记录，delete是标记一下行记录的‘删除标记’，而update则是先删除再添加，这是因为存在可变长的字段类型，比如varchar，每次更新时，这种类型的数据占用内存是不固定的，所以先删除再添加。

这里的删除标记是行记录的字段，也就是除了业务字段数据，InnoDB默认为每行记录添加的字段，所以一个行记录大概如下图，这也是之前提到过的「行格式」。

找到数据页并且更新记录之后DML操作就算完成了，但是还没有落地到磁盘。

这个时候直接刷新到磁盘视为完成不可以吗？

数据持久化方案

可以是可以，但是如果每次的DML操作都要将一个16KB的数据页刷到磁盘，其效率是极低的，估计也就没有人用MySQL了。但是如果不刷新到磁盘，就会发生MySQL服务宕机数据会丢失现象。MySQL在这里的处理方案是：

1. 等待合适的时机将批量的「脏页」异步刷新到磁盘。
2. 先快速将更新的记录以日志的形式刷新到磁盘。

先看第一点，什么时候是合适的时机？

合适的时机刷盘

当「脏页」在「Buffer Pool」中达到某个阈值的时候，InnoDB会将这些脏页刷新到磁盘中。这个阈值可以通过 innodb_max_dirty_pages_pct 这个参数查看或设置，相关命令如下：

-- 查看脏页刷新阈值
show variables like 'innodb_max_dirty_pages_pct'
-- 在线设置脏页刷新阈值，当脏页在Buffer Pool占用70%的时候刷新
SET GLOBAL innodb_max_dirty_pages_pct = 70

当然，这个合适的时机只是为了减少与磁盘的交互，用来提高性能的，并不能确保数据不丢失。

双写机制

在刷新「脏页」这里还有一个非常重要的注意事项就是：因为InnoDB的页大小为16KB，而一般操作系统的页大小为4KB。意味着InnoDB将这些「脏页」向磁盘刷新时，在操作系统层面会被分成4个4KB的页，这样的话，如果其中有一页因为MySQL宕机或者其他异常导致没有成功刷新到磁盘，就会出现「页损坏现象」，数据也就不完整了。

所以InnoDB在这里采用的双写机制，在将这些「脏页」刷新到磁盘之前先会往结构图中的「Doublewrite Buffer」中写入，随后再刷新到对应的表空间中，当出现故障时就可以通过双写缓冲区进行恢复。

向「Doublewrite Buffer」就不会发生「页损坏现象」？

「Doublewrite Buffer」的大小是独立且固定的，不是基于页的大小来划分的。所以不受操作系统中的页大小限制，也不会发生「页损坏现象」。并且先以顺序IO的方式向「Doublewrite Buffer」写入数据页，再以随机IO异步刷新到表空间这种方式还可以提高写入性能。

再看第二点，为什么以日志的形式先刷新到磁盘？

日志先行机制

在「Buffer Pool」中更新完数据页后，由于不会及时将这些「脏页」刷新到磁盘，为了避免数据丢失，会将本次的DML操作向「Log Buffer」中写一份并且刷新到磁盘中，相比16KB的数据页来说，这个数据量会小很多，而且写入日志文件时是追加操作，属于顺序IO，效率较高。如下图，哪种方式写入效率更高是显而易见的。

这里说的日志文件就是经常会听到的「Redo Log」，即使MySQL宕机了，通过磁盘的redolog，也可以在MySQL启动时尽可能的将数据恢复到宕机之前样子。当然，还有「Undo Log」，因为对本文重点没有直接影响，所以不对此展开说明。

这种日志先行（WAL）的机制也是MySQL用于提高效率和保障数据可靠的一种方式。

为什么是尽可能的恢复？

日志刷盘机制

因为「Log Buffer」中的日志数据什么时候向磁盘刷新则是由 innodb_flush_log_at_trx_commit 和 innodb_flush_log_at_timeout 这两个参数决定的。

• innodb_flush_log_at_trx_commit默认为1，也就是每次事务提交后就会刷新到磁盘。
• 当innodb_flush_log_at_trx_commit设置为0时，则不会根据事务提交来刷新，而是根据innodb_flush_log_at_timeout设置的时间定时刷新，这个时间默认为1秒。
• 当innodb_flush_log_at_trx_commit设置为2时，仅将日志写入操作系统中的缓存中，随后跟随根据innodb_flush_log_at_timeout定时刷新。

如果在MySQL服务宕机的时候，「Log Buffer」中的日志没有刷新到磁盘，这部分数据也是会丢失的，在重启后也不会恢复。所以如果不想丢失数据，在性能还可以的情况下，尽量将innodb_flush_log_at_trx_commit设置为1。

「redo log」是怎么恢复数据的？

Redo Log 恢复数据

首先，redo log会记录DML的操作类型、数据的表空间、数据页以及具体操作内容，以 insert into t1(1,'hi')为例，对应的redo log内容大概这样的

假如 innodb_flush_log_at_trx_commit 的值为1，那么当该DML操作事务提交后，就会将 redo log 刷新到磁盘。成功刷新到磁盘后，就可以视为数据被写入成功。

此时如果「脏页」还没刷新到磁盘便宕机，那么在下次MySQL启动时便去加载redo log，如果redo log存在数据则意味着需要恢复数据。这个时候就可以通过redo log中的内容重新构建「脏页」，从而恢复到宕机之前的状态。

怎么构建「脏页」呢？

其实在每次的redo log写入时都会记录一个「LSN（log sequence number）」，同时这个值在「数据页」中记录最后一次被修改的日志序列位置。MySQL在启动时通过LSN来对比 redo log 和数据页，如果数据页中的LSN小于 redo log 的LSN，则会将该数据页加载到「Buffer Pool」，然后根据 redo log 的内容构建出「脏页」，等待下次刷新到磁盘，数据也就恢复了。如下图

注意：这个恢复的过程重点在redo上，实际上还涉及到「Change Buffer」、「Undo Log」等操作，这里没有展开说明。

「Doublewrite Buffer」和「redo log」都是恢复数据的，不冲突吗？

不冲突，「Doublewrite Buffer」是对「页损坏现象」的整个数据页进行恢复，Redo Log只能对某次的DML操作进行恢复。

总结

InnoDB通过以上的操作可以尽可能的保证MySQL不丢失数据，最后再总结一下MySQL是如何保障数据不丢失的：

1. 为了避免频繁与磁盘交互，每次DML操作先在「Buffer Pool」中的缓存页中执行，缓存页有更新之后便成为「脏页」，随后根据innodb_max_dirty_pages_pct这个参数将「脏页」刷新到磁盘。
2. 因为「脏页」在刷新到磁盘之前可能会存在MySQL宕机等异常行为导致数据丢失，所以MySQL采用日志先行（WAL）机制，将DML操作以日志的形式进行记录到「Redo Log」中，随后根据innodb_flush_log_at_trx_commit 和 innodb_flush_log_at_timeout这两个参数将「Redo Log」刷新到磁盘，以便恢复。
3. 在向磁盘刷新「脏页」时，为了避免发生「页损坏」现象，InnoDB采用双写机制，先将这些脏页顺序写入「Doublewrite Buffer」中，随后再将数据页异步刷新到各个表空间中，这种方式既能提高写入效率，又可以保障数据的完整性。
4. 如果在「脏页」刷新到磁盘之前，MySQL宕机了，那么会在下次启动时通过 redo log 将脏页构建出来，做到数据恢复。
5. 通过以上步骤，MySQL做到了尽可能的不丢失数据。