MySQL，在线热备的内核原理！

Posted 2021-10-12 58沈剑

这是一篇关于mysql数据库，redo log，LSN，崩溃恢复，在线热备的长文，耐心读完，如果没有收获，可以捶我。

研发的童鞋每次对MySQL库表做重大操作之前，例如：

（1）修改表结构；

（2）批量修改或者删除数据；

都会向DBA申请进行数据库的备份。

画外音：又或者说，不备份直接操作啦？

那DBA童鞋是怎么进行MySQL备份的呢？

调研了几十个RD和QA，基本是3种答案：

（1）不太清楚；

（2）在线逻辑备份，mysqldump；

（3）离线物理备份（冷备），拷贝从库库文件；

那实际上，DBA是如何对MySQL进行库备份的呢？

现在基本上使用的是PXB方案。

今天，和大家说说MySQL备份的来龙去脉，以及内核原理。

在线逻辑备份，mysqldump是咋回事？

mysqldump是MySQL工具集中的一个工具，可以用来导出或备份数据。

mysqldump的产出物是一个包含了建表，插入数据的SQL语句集合，类似于这样：

-- MySQL dump 1.2.3

-- Host: localhost Database: test

-- Server version 4.5.6

CREATE TABLE t_user (

 id int(11)NOT NULL unique,

 name varchar(40) NOT NULL default '',

 PRIMARY KEY  (id)

);

INSERT INTO t_user VALUES (1,'shenjian');

INSERT INTO t_user VALUES (2,'zhangsan');

INSERT INTO t_user VALUES (3,'lisi');

因此，它才称为逻辑备份。

使用mysqldump进行备份的优点是：可以在线进行，不影响数据库对线上持续提供服务。

缺点也显而易见：相比物理备份拷贝库文件，备份和恢复都要慢非常多。

离线物理备份，拷贝从库库文件又是咋回事？

为了提高备份效率，缩短备份时间，这也就引发了第二种方案，直接物理备份库文件。

如上图所示，数据库集群设置为左侧的1主2从架构，离线物理备份是如何实施的呢？

（1）第一步，将一个从库从集群里摘下并下线，此时离线库文件不会再发生变化；

（2）第二步，scp拷贝库文件，即完成了库的物理备份；

（3）文件拷贝完成后，将从库挂回集群；

使用离线物理备份的优点是：备份和恢复都非常快。

缺点也显而易见：备份过程中从库无法对线上持续提供服务。

那么问题来了，有没有一种方案，又能够快速备份物理文件，又能够持续对线上提供服务呢？

这就是如今MySQL备份最流行的PXB方案。

什么是PXB？

PXB的全称是，Percona XtraBackup，官网是这么吹的：PXB是全世界唯一一款开源免费的，支持MySQL热备的，非阻塞备份工具。

画外音：Percona XtraBackup is the world’s only open-source, free MySQL hotbackup software that performs non-blocking backups tool.

那么，PXB是如何实现：

（1）保持数据库持续提供线上服务，库文件不断变化时；

（2）通过MySQL文件；

（3）来进行库文件物理热备份的呢？

为了把问题讲透，这就要从redo log，从LSN，从MySQL的故障恢复(crash-recovery)机制聊起。

一、redo log

为什么要有redo log？

事务提交后，必须将事务对数据页的修改刷(fsync)到磁盘上，才能保证事务的ACID特性。

这个刷盘，是一个随机写，随机写性能较低，如果每次事务提交都刷盘，会极大影响数据库的性能。

随机写性能差，有什么优化方法呢？

架构设计中有两个常见的优化方法：

（1）先写日志(write log first)，将随机写优化为顺序写；

（2）将每次写优化为批量写；

这两个优化，数据库都用上了。

第一个优化，将对数据的修改先顺序写到日志里，这个日志就是redo log。

第二个优化，就是redo log的三层架构：

（1）log buffer：应用层缓冲；

（2）OS cache：操作系统缓存；

（3）redo log file：物理文件；

画外音：此处不是本文的重点，不再展开详述。

假如某一时刻，数据库崩溃，还没来得及将数据页刷盘，数据库重启时，会重做redo log里的内容，以保证已提交事务对数据的影响被刷到磁盘上。

一句话，redo log是为了保证已提交事务的ACID特性，同时能够提高数据库性能的技术。

二、redo log的格式

逻辑上，MySQL以行(row)为单位管理数据；物理上，MySQL以页(page)为单位管理数据，MySQL的缓冲池(buffer)机制，也是以页为单位管理数据，事务提交之后，不用每次都随机写落盘刷新数据页，而是通过顺序写redo log来提高性能，那么redo log是直接保存等待刷盘的数据页吗？

如果redo log直接保存待刷盘的数据页，存在这样的问题，假如某个SQL语句只修改了一行记录里的一个属性，例如：

update set sex=1 where name='shenjian'

物理上，其实只修改了1个字节，难道redo log要将这个属性所在的一页数据(16K)全部保存下来吗？

完全不用，redo log只需要记录：

（1）某个数据页中(page num)；

（2）某个某个偏移位置(offset)；

（3）某个类型的数据(type)；

（4）改成了什么值(value)；

如此一来，redo log既能够实现以页为单位顺序刷盘数据，又极大缩小了日志大小，其性能又进一步的增加了。

update set sex=1 where name='shenjian'

仍以这个SQL为例，假设它修改了第1234页，偏移量为5678处，1个字节的数据，这个字节的sex由0改成了1，那么，很容易想到redo log是类似于这样的一个结构：

如此一来，当数据库崩溃的时候，如果缓冲池中的数据没有来得及刷盘，就可以通过redo log，把第1234页，偏移量为5678处的1个字节改为1，以此来恢复数据。

当然，MySQL会通过一系列的数据结构对redo log来进行管理，最小单位的redo log是一个512字节的数据块(block)，这个数块由12字节的header，508字节的body，4字节的trailer组成，body里保存的就是上述数据页如何进行修改的记录。

记录redo log的文件有若干个，每个都固定大小，循环使用。

画外音：为了使得行文通俗易懂，本文尽量没有提及Mini-Transaction(mtr)的概念。

三、LSN

要聊redo log，要聊故障恢复，LSN是一个绕不开的概念。

什么是LSN？

LSN，Log Sequeue Number，直译过来叫日志序列号，是InnoDB中，随着日志的写入，一个只增不减的8字节序列号。

听上去叫日志序列号，但LSN并不只存在redo log中，它还存储在数据页里。

画外音：缓冲池中的数据页，磁盘上的数据页都存储了LSN。

数据页(page)里存储的LSN，可以用来标记数据页的“版本号”，记录该数据页最后一次被修改的日志序列的位置。

举个例子，假设逻辑上连续执行了两个事物，且都已经提交：

trx1:

update set sex=0 where name='shenjian'

        redolog lsn=1000

trx2:

update set sex=1 where name='shenjian'

        redolog lsn=1001

画外音：lsn增加了。

又假设，第一个事务trx1已经刷盘，而第二个事务trx2还没有刷盘，只写了redo log。

画外音：最近一次刷盘的页，即最近一次检查点(checkpoint)，也是通过LSN来记录的，它也会被写入redo log里。

这两个事务修改的是同一个数据页，很容易想到：

磁盘数据页上的LSN=1000

而redo log里有两条记录：

第一条，redo log lsn=1000

第二条，redo log lsn=1001

为了提高数据库性能，数据库基本都是使用WAL(Write Ahead Log)的方式，先写日志再刷盘，所以很容易能够想到，磁盘数据页里的LSN，会小于最新redo log中的LSN。

画外音：此时，redo log中记录的checkpoint也是1000。

LSN有什么用呢？

它和MySQL的故障恢复(crash-recovery)机制紧密相关。

四、InnoDB故障恢复(crash-recovery)

这里的故障恢复，是指MySQL非正常退出，然后再次启动之前，要恢复数据一致性的操作。

画外音：可能直译叫崩溃恢复更准确一些。

InnoDB的崩溃恢复过程是怎么样的？

主要分为四个步骤：

第一步，redo log操作：保证已提交事务影响的最新数据刷到数据页里。

第二步，undo log操作：保证未提交事务影响的数据页回滚。

第三步，写缓冲(change buffer)合并。

画外音：不是今天的重点，关于写缓冲的概念，详见《写缓冲(change buffer)，这次彻底懂了！》。

第四步，purge操作。

画外音：InnoDB的一种垃圾收集机制，使用单独的后台线程周期性处理索引中标记删除的数据，也不是今天的重点，未来可以详细讲。

第一个步骤中，redo log操作是如何恢复最新的数据页的呢？

（1）从redo log中读取checkpoint lsn，它记录的是最后一次刷盘的页，对应日志的LSN；

（2）如果redo log中记录的日志LSN小于checkpoint，说明相关数据已经被刷盘，不用额外操作；

（3）如果redo log中记录的日志LSN大于checkpoint，说明相关数据只写了redo log，没来得及刷盘，就需要对相关数据页重做日志，例如：

将第1234页，偏移量为5678处的1个字节改为1，以此来恢复数据。

崩溃恢复过程中，MySQL的启动日志更形象的说明了这一点：

（1）先找到checkpoint；

（2）然后不断的扫描大于checkpoint的redo log，不断的恢复数据；

画外音：redo log的LSN可以看到恢复的进程。

多说一句，redo log还有两个特性：

第一，幂等性，同一条redo log执行多次，不影响数据的恢复。

第二，崩溃恢复时，从比checkpoint更早的LSN开始执行恢复，也不影响数据最终的一致性，因为一个数据页，最终一定会被更大值的LSN日志恢复到最新的数据上来；

五、PXB在线热备原理

不知不觉写了几千字，差点忘了缘起的问题。

PXB是如何实现：

（1）保持数据库持续提供线上服务，库文件不断变化时；

（2）通过MySQL文件；

（3）来进行库文件物理热备份的呢？

通过上面大把的铺垫，这个问题的回答就容易了。

首先，PXB启动一个线程，并不断监听并复制redo log的增量到另外的文件，不能直接备份redo log的原因是，redo log循环使用的，PXB则必须记录下checkpoint LSN之后的所有redo log。

然后，PXB启动另一个线程，然后开始复制数据文件，复制数据文件过程可能会比较长，整个过程中数据文件可能在不停的修改，导致数据不一致。但没有关系，所有的修改都已经记录在了第一步中，额外记录的redo log里。

画外音：务必注意，备份redo log的线程，必须在开始备份数据文件之前启动，之后结束。

最后，通过备份的数据文件，重放redo log，执行类似于MySQL崩溃恢复过程中的动作，就能够使得数据文件恢复到能保证一致性的checkpoint检查点。

画外音：PXB还可以对非MySQL，非InnoDB进行在线热备，这里就不展开了。

是不是很神奇啊！

这是一篇关于MySQL数据库，redo log，LSN，崩溃恢复，在线热备的长文，耐心读完，如果没有收获，可以捶我。

MySQL内核相关文章：

《缓冲池(buffer pool)，这次彻底懂了！》

《写缓冲(change buffer)，这次彻底懂了！》

《日志缓冲(log buffer)，这次彻底懂了！》

《double write buffer，这次彻底懂了！》

都看到这里了，不来个三连吗？谢转！