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learn.lianglianglee.com/专栏/MySQL实战45讲/15 答疑文章（一）：日志和索引相关问题.md.html
周伟 0f006e4e9b add
2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>15 答疑文章（一）：日志和索引相关问题</h1>
<p>在今天这篇答疑文章更新前，MySQL 实战这个专栏已经更新了 14 篇。在这些文章中，大家在评论区留下了很多高质量的留言。现在，每篇文章的评论区都有热心的同学帮忙总结文章知识点，也有不少同学提出了很多高质量的问题，更有一些同学帮忙解答其他同学提出的问题。</p>
<p>在浏览这些留言并回复的过程中，我倍受鼓舞，也尽我所知地帮助你解决问题、和你讨论。可以说，你们的留言活跃了整个专栏的氛围、提升了整个专栏的质量，谢谢你们。</p>
<p>评论区的大多数留言我都直接回复了，对于需要展开说明的问题，我都拿出小本子记了下来。这些被记下来的问题，就是我们今天这篇答疑文章的素材了。</p>
<p>到目前为止，我已经收集了 47 个问题，很难通过今天这一篇文章全部展开。所以，我就先从中找了几个联系非常紧密的问题，串了起来，希望可以帮你解决关于日志和索引的一些疑惑。而其他问题，我们就留着后面慢慢展开吧。</p>
<h1>日志相关问题</h1>
<p>我在第 2 篇文章[《日志系统：一条 SQL 更新语句是如何执行的？》]中，和你讲到 binlog（归档日志）和 redo log（重做日志）配合崩溃恢复的时候，用的是反证法，说明了如果没有两阶段提交，会导致 MySQL 出现主备数据不一致等问题。</p>
<p>在这篇文章下面，很多同学在问，在两阶段提交的不同瞬间，MySQL 如果发生异常重启，是怎么保证数据完整性的？</p>
<p>现在，我们就从这个问题开始吧。</p>
<p>我再放一次两阶段提交的图，方便你学习下面的内容。</p>
<p><img src="assets/ee9af616e05e4b853eba27048351f62a.jpg" alt="img" /></p>
<p>图 1 两阶段提交示意图</p>
<p>这里，我要先和你解释一个误会式的问题。有同学在评论区问到，这个图不是一个 update 语句的执行流程吗，怎么还会调用 commit 语句？</p>
<p>他产生这个疑问的原因，是把<strong>两个“commit”的概念</strong>混淆了：</p>
<ul>
<li>他说的“commit 语句”，是指 MySQL 语法中，用于提交一个事务的命令。一般跟 begin/start transaction 配对使用。</li>
<li>而我们图中用到的这个“commit 步骤”，指的是事务提交过程中的一个小步骤，也是最后一步。当这个步骤执行完成后，这个事务就提交完成了。</li>
<li>“commit 语句”执行的时候，会包含“commit 步骤”。</li>
</ul>
<p>而我们这个例子里面，没有显式地开启事务，因此这个 update 语句自己就是一个事务，在执行完成后提交事务时，就会用到这个“commit 步骤“。</p>
<p>接下来，我们就一起分析一下<strong>在两阶段提交的不同时刻，MySQL 异常重启会出现什么现象。</strong></p>
<p>如果在图中时刻 A 的地方，也就是写入 redo log 处于 prepare 阶段之后、写 binlog 之前，发生了崩溃（crash），由于此时 binlog 还没写，redo log 也还没提交，所以崩溃恢复的时候，这个事务会回滚。这时候，binlog 还没写，所以也不会传到备库。到这里，大家都可以理解。</p>
<p>大家出现问题的地方，主要集中在时刻 B，也就是 binlog 写完，redo log 还没 commit 前发生 crash，那崩溃恢复的时候 MySQL 会怎么处理？</p>
<p>我们先来看一下崩溃恢复时的判断规则。</p>
<ol>
<li>如果 redo log 里面的事务是完整的，也就是已经有了 commit 标识，则直接提交；</li>
<li>如果 redo log 里面的事务只有完整的 prepare，则判断对应的事务 binlog 是否存在并完整：
a. 如果是，则提交事务；
b. 否则，回滚事务。</li>
</ol>
<p>这里，时刻 B 发生 crash 对应的就是 2(a) 的情况，崩溃恢复过程中事务会被提交。</p>
<p>现在，我们继续延展一下这个问题。</p>
<h2>追问 1：MySQL 怎么知道 binlog 是完整的?</h2>
<p>回答：一个事务的 binlog 是有完整格式的：</p>
<ul>
<li>statement 格式的 binlog，最后会有 COMMIT；</li>
<li>row 格式的 binlog，最后会有一个 XID event。</li>
</ul>
<p>另外，在 MySQL 5.6.2 版本以后，还引入了 binlog-checksum 参数，用来验证 binlog 内容的正确性。对于 binlog 日志由于磁盘原因，可能会在日志中间出错的情况，MySQL 可以通过校验 checksum 的结果来发现。所以，MySQL 还是有办法验证事务 binlog 的完整性的。</p>
<h2>追问 2：redo log 和 binlog 是怎么关联起来的?</h2>
<p>回答：它们有一个共同的数据字段，叫 XID。崩溃恢复的时候，会按顺序扫描 redo log：</p>
<ul>
<li>如果碰到既有 prepare、又有 commit 的 redo log，就直接提交；</li>
<li>如果碰到只有 parepare、而没有 commit 的 redo log，就拿着 XID 去 binlog 找对应的事务。</li>
</ul>
<h2>追问 3：处于 prepare 阶段的 redo log 加上完整 binlog，重启就能恢复，MySQL 为什么要这么设计?</h2>
<p>回答：其实，这个问题还是跟我们在反证法中说到的数据与备份的一致性有关。在时刻 B，也就是 binlog 写完以后 MySQL 发生崩溃，这时候 binlog 已经写入了，之后就会被从库（或者用这个 binlog 恢复出来的库）使用。</p>
<p>所以，在主库上也要提交这个事务。采用这个策略，主库和备库的数据就保证了一致性。</p>
<h2>追问 4：如果这样的话，为什么还要两阶段提交呢？干脆先 redo log 写完，再写 binlog。崩溃恢复的时候，必须得两个日志都完整才可以。是不是一样的逻辑？</h2>
<p>回答：其实，两阶段提交是经典的分布式系统问题，并不是 MySQL 独有的。</p>
<p>如果必须要举一个场景，来说明这么做的必要性的话，那就是事务的持久性问题。</p>
<p>对于 InnoDB 引擎来说，如果 redo log 提交完成了，事务就不能回滚（如果这还允许回滚，就可能覆盖掉别的事务的更新）。而如果 redo log 直接提交，然后 binlog 写入的时候失败，InnoDB 又回滚不了，数据和 binlog 日志又不一致了。</p>
<p>两阶段提交就是为了给所有人一个机会，当每个人都说“我 ok”的时候，再一起提交。</p>
<h2>追问 5：不引入两个日志，也就没有两阶段提交的必要了。只用 binlog 来支持崩溃恢复，又能支持归档，不就可以了？</h2>
<p>回答：这位同学的意思是，只保留 binlog，然后可以把提交流程改成这样：… -&gt; “数据更新到内存” -&gt; “写 binlog” -&gt; “提交事务”，是不是也可以提供崩溃恢复的能力？</p>
<p>答案是不可以。</p>
<p>如果说<strong>历史原因</strong>的话，那就是 InnoDB 并不是 MySQL 的原生存储引擎。MySQL 的原生引擎是 MyISAM，设计之初就有没有支持崩溃恢复。</p>
<p>InnoDB 在作为 MySQL 的插件加入 MySQL 引擎家族之前，就已经是一个提供了崩溃恢复和事务支持的引擎了。</p>
<p>InnoDB 接入了 MySQL 后，发现既然 binlog 没有崩溃恢复的能力，那就用 InnoDB 原有的 redo log 好了。</p>
<p>而如果说<strong>实现上的原因</strong>的话，就有很多了。就按照问题中说的，只用 binlog 来实现崩溃恢复的流程，我画了一张示意图，这里就没有 redo log 了。</p>
<p><img src="assets/eb838b87e9c20fa00aca50ef154f2a63.jpg" alt="img" /></p>
<p>图 2 只用 binlog 支持崩溃恢复</p>
<p>这样的流程下，binlog 还是不能支持崩溃恢复的。我说一个不支持的点吧：binlog 没有能力恢复“数据页”。</p>
<p>如果在图中标的位置，也就是 binlog2 写完了，但是整个事务还没有 commit 的时候，MySQL 发生了 crash。</p>
<p>重启后，引擎内部事务 2 会回滚，然后应用 binlog2 可以补回来；但是对于事务 1 来说，系统已经认为提交完成了，不会再应用一次 binlog1。</p>
<p>但是，InnoDB 引擎使用的是 WAL 技术，执行事务的时候，写完内存和日志，事务就算完成了。如果之后崩溃，要依赖于日志来恢复数据页。</p>
<p>也就是说在图中这个位置发生崩溃的话，事务 1 也是可能丢失了的，而且是数据页级的丢失。此时，binlog 里面并没有记录数据页的更新细节，是补不回来的。</p>
<p>你如果要说，那我优化一下 binlog 的内容，让它来记录数据页的更改可以吗？但，这其实就是又做了一个 redo log 出来。</p>
<p>所以，至少现在的 binlog 能力，还不能支持崩溃恢复。</p>
<h2>追问 6：那能不能反过来，只用 redo log，不要 binlog？</h2>
<p>回答：如果只从崩溃恢复的角度来讲是可以的。你可以把 binlog 关掉，这样就没有两阶段提交了，但系统依然是 crash-safe 的。</p>
<p>但是，如果你了解一下业界各个公司的使用场景的话，就会发现在正式的生产库上，binlog 都是开着的。因为 binlog 有着 redo log 无法替代的功能。</p>
<p>一个是归档。redo log 是循环写，写到末尾是要回到开头继续写的。这样历史日志没法保留，redo log 也就起不到归档的作用。</p>
<p>一个就是 MySQL 系统依赖于 binlog。binlog 作为 MySQL 一开始就有的功能，被用在了很多地方。其中，MySQL 系统高可用的基础，就是 binlog 复制。</p>
<p>还有很多公司有异构系统（比如一些数据分析系统），这些系统就靠消费 MySQL 的 binlog 来更新自己的数据。关掉 binlog 的话，这些下游系统就没法输入了。</p>
<p>总之，由于现在包括 MySQL 高可用在内的很多系统机制都依赖于 binlog，所以“鸠占鹊巢”redo log 还做不到。你看，发展生态是多么重要。</p>
<h2>追问 7：redo log 一般设置多大？</h2>
<p>回答：redo log 太小的话，会导致很快就被写满，然后不得不强行刷 redo log，这样 WAL 机制的能力就发挥不出来了。</p>
<p>所以，如果是现在常见的几个 TB 的磁盘的话，就不要太小气了，直接将 redo log 设置为 4 个文件、每个文件 1GB 吧。</p>
<h2>追问 8：正常运行中的实例，数据写入后的最终落盘，是从 redo log 更新过来的还是从 buffer pool 更新过来的呢？</h2>
<p>回答：这个问题其实问得非常好。这里涉及到了，“redo log 里面到底是什么”的问题。</p>
<p>实际上，redo log 并没有记录数据页的完整数据，所以它并没有能力自己去更新磁盘数据页，也就不存在“数据最终落盘，是由 redo log 更新过去”的情况。</p>
<ol>
<li>如果是正常运行的实例的话，数据页被修改以后，跟磁盘的数据页不一致，称为脏页。最终数据落盘，就是把内存中的数据页写盘。这个过程，甚至与 redo log 毫无关系。</li>
<li>在崩溃恢复场景中，InnoDB 如果判断到一个数据页可能在崩溃恢复的时候丢失了更新，就会将它读到内存，然后让 redo log 更新内存内容。更新完成后，内存页变成脏页，就回到了第一种情况的状态。</li>
</ol>
<h2>追问 9：redo log buffer 是什么？是先修改内存，还是先写 redo log 文件？</h2>
<p>回答：这两个问题可以一起回答。</p>
<p>在一个事务的更新过程中，日志是要写多次的。比如下面这个事务：</p>
<pre><code>begin;
insert into t1 ...
insert into t2 ...
commit;
</code></pre>
<p>这个事务要往两个表中插入记录，插入数据的过程中，生成的日志都得先保存起来，但又不能在还没 commit 的时候就直接写到 redo log 文件里。</p>
<p>所以，redo log buffer 就是一块内存，用来先存 redo 日志的。也就是说，在执行第一个 insert 的时候，数据的内存被修改了，redo log buffer 也写入了日志。</p>
<p>但是，真正把日志写到 redo log 文件（文件名是 ib_logfile+ 数字），是在执行 commit 语句的时候做的。</p>
<p>（这里说的是事务执行过程中不会“主动去刷盘”，以减少不必要的 IO 消耗。但是可能会出现“被动写入磁盘”，比如内存不够、其他事务提交等情况。这个问题我们会在后面第 22 篇文章《MySQL 有哪些“饮鸩止渴”的提高性能的方法？》中再详细展开）。</p>
<p>单独执行一个更新语句的时候，InnoDB 会自己启动一个事务，在语句执行完成的时候提交。过程跟上面是一样的，只不过是“压缩”到了一个语句里面完成。</p>
<p>以上这些问题，就是把大家提过的关于 redo log 和 binlog 的问题串起来，做的一次集中回答。如果你还有问题，可以在评论区继续留言补充。</p>
<h1>业务设计问题</h1>
<p>接下来，我再和你分享 @ithunter 同学在第 8 篇文章[《事务到底是隔离的还是不隔离的？》]的评论区提到的跟索引相关的一个问题。我觉得这个问题挺有趣、也挺实用的，其他同学也可能会碰上这样的场景，在这里解答和分享一下。</p>
<p>问题是这样的（我文字上稍微做了点修改，方便大家理解）：</p>
<blockquote>
<p>业务上有这样的需求，A、B 两个用户，如果互相关注，则成为好友。设计上是有两张表，一个是 like 表，一个是 friend 表，like 表有 user_id、liker_id 两个字段，我设置为复合唯一索引即 uk_user_id_liker_id。语句执行逻辑是这样的：</p>
</blockquote>
<blockquote>
<p>以 A 关注 B 为例：
第一步，先查询对方有没有关注自己（B 有没有关注 A）
select * from like where user_id = B and liker_id = A;</p>
</blockquote>
<blockquote>
<p>如果有，则成为好友
insert into friend;</p>
</blockquote>
<blockquote>
<p>没有，则只是单向关注关系
insert into like;</p>
</blockquote>
<blockquote>
<p>但是如果 A、B 同时关注对方，会出现不会成为好友的情况。因为上面第 1 步，双方都没关注对方。第 1 步即使使用了排他锁也不行，因为记录不存在，行锁无法生效。请问这种情况，在 MySQL 锁层面有没有办法处理？</p>
</blockquote>
<p>首先，我要先赞一下这样的提问方式。虽然极客时间现在的评论区还不能追加评论，但如果大家能够一次留言就把问题讲清楚的话，其实影响也不大。所以，我希望你在留言提问的时候，也能借鉴这种方式。</p>
<p>接下来，我把 @ithunter 同学说的表模拟出来，方便我们讨论。</p>
<pre><code>CREATE TABLE `like` (
`id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`user_id` int(11) NOT NULL,
`liker_id` int(11) NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `uk_user_id_liker_id` (`user_id`,`liker_id`)
) ENGINE=InnoDB;
CREATE TABLE `friend` (
id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`friend_1_id` int(11) NOT NULL,
`firned_2_id` int(11) NOT NULL,
UNIQUE KEY `uk_friend` (`friend_1_id`,`firned_2_id`)
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;
</code></pre>
<p>虽然这个题干中，并没有说到 friend 表的索引结构。但我猜测 friend_1_id 和 friend_2_id 也有索引，为便于描述，我给加上唯一索引。</p>
<p>顺便说明一下，“like”是关键字，我一般不建议使用关键字作为库名、表名、字段名或索引名。</p>
<p>我把他的疑问翻译一下，在并发场景下，同时有两个人，设置为关注对方，就可能导致无法成功加为朋友关系。</p>
<p>现在，我用你已经熟悉的时刻顺序表的形式，把这两个事务的执行语句列出来：
<img src="assets/c45063baf1ae521bf5d98b6d7c0e0ced.png" alt="img" /></p>
<p>图 3 并发“喜欢”逻辑操作顺序</p>
<p>由于一开始 A 和 B 之间没有关注关系，所以两个事务里面的 select 语句查出来的结果都是空。</p>
<p>因此，session 1 的逻辑就是“既然 B 没有关注 A，那就只插入一个单向关注关系”。session 2 也同样是这个逻辑。</p>
<p>这个结果对业务来说就是 bug 了。因为在业务设定里面，这两个逻辑都执行完成以后，是应该在 friend 表里面插入一行记录的。</p>
<p>如提问里面说的，“第 1 步即使使用了排他锁也不行，因为记录不存在，行锁无法生效”。不过，我想到了另外一个方法，来解决这个问题。</p>
<p>首先，要给“like”表增加一个字段，比如叫作 relation_ship，并设为整型，取值 1、2、3。</p>
<blockquote>
<p>值是 1 的时候，表示 user_id 关注 liker_id;
值是 2 的时候，表示 liker_id 关注 user_id;
值是 3 的时候，表示互相关注。</p>
</blockquote>
<p>然后，当 A 关注 B 的时候，逻辑改成如下所示的样子：</p>
<p>应用代码里面，比较 A 和 B 的大小，如果 A&lt;B，就执行下面的逻辑</p>
<pre><code>mysql&gt; begin; /* 启动事务 */
insert into `like`(user_id, liker_id, relation_ship) values(A, B, 1) on duplicate key update relation_ship=relation_ship | 1;
select relation_ship from `like` where user_id=A and liker_id=B;
/* 代码中判断返回的 relation_ship，
如果是 1，事务结束，执行 commit
如果是 3，则执行下面这两个语句：
*/
insert ignore into friend(friend_1_id, friend_2_id) values(A,B);
commit;
</code></pre>
<p>如果 A&gt;B，则执行下面的逻辑</p>
<pre><code>mysql&gt; begin; /* 启动事务 */
insert into `like`(user_id, liker_id, relation_ship) values(B, A, 2) on duplicate key update relation_ship=relation_ship | 2;
select relation_ship from `like` where user_id=B and liker_id=A;
/* 代码中判断返回的 relation_ship，
如果是 2，事务结束，执行 commit
如果是 3，则执行下面这两个语句：
*/
insert ignore into friend(friend_1_id, friend_2_id) values(B,A);
commit;
</code></pre>
<p>这个设计里，让“like”表里的数据保证 user_id &lt; liker_id，这样不论是 A 关注 B，还是 B 关注 A，在操作“like”表的时候，如果反向的关系已经存在，就会出现行锁冲突。</p>
<p>然后，insert … on duplicate 语句，确保了在事务内部，执行了这个 SQL 语句后，就强行占住了这个行锁，之后的 select 判断 relation_ship 这个逻辑时就确保了是在行锁保护下的读操作。</p>
<p>操作符 “|” 是按位或，连同最后一句 insert 语句里的 ignore，是为了保证重复调用时的幂等性。</p>
<p>这样，即使在双方“同时”执行关注操作，最终数据库里的结果，也是 like 表里面有一条关于 A 和 B 的记录，而且 relation_ship 的值是 3， 并且 friend 表里面也有了 A 和 B 的这条记录。</p>
<p>不知道你会不会吐槽：之前明明还说尽量不要使用唯一索引，结果这个例子一上来我就创建了两个。这里我要再和你说明一下，之前文章我们讨论的，是在“业务开发保证不会插入重复记录”的情况下，着重要解决性能问题的时候，才建议尽量使用普通索引。</p>
<p>而像这个例子里，按照这个设计，业务根本就是保证“我一定会插入重复数据，数据库一定要要有唯一性约束”，这时就没啥好说的了，唯一索引建起来吧。</p>
<h1>小结</h1>
<p>这是专栏的第一篇答疑文章。</p>
<p>我针对前 14 篇文章，大家在评论区中的留言，从中摘取了关于日志和索引的相关问题，串成了今天这篇文章。这里我也要再和你说一声，有些我答应在答疑文章中进行扩展的话题，今天这篇文章没来得及扩展，后续我会再找机会为你解答。所以，篇幅所限，评论区见吧。</p>
<p>最后，虽然这篇是答疑文章，但课后问题还是要有的。</p>
<p>我们创建了一个简单的表 t，并插入一行，然后对这一行做修改。</p>
<pre><code>mysql&gt; CREATE TABLE `t` (
`id` int(11) NOT NULL primary key auto_increment,
`a` int(11) DEFAULT NULL
) ENGINE=InnoDB;
insert into t values(1,2);
</code></pre>
<p>这时候，表 t 里有唯一的一行数据 (1,2)。假设，我现在要执行：</p>
<pre><code>mysql&gt; update t set a=2 where id=1;
</code></pre>
<p>你会看到这样的结果：</p>
<p><img src="assets/367b3f299b94353f32f75ea825391170.png" alt="img" />
结果显示，匹配 (rows matched) 了一行，修改 (Changed) 了 0 行。</p>
<p>仅从现象上看，MySQL 内部在处理这个命令的时候，可以有以下三种选择：</p>
<ol>
<li>更新都是先读后写的，MySQL 读出数据，发现 a 的值本来就是 2，不更新，直接返回，执行结束；</li>
<li>MySQL 调用了 InnoDB 引擎提供的“修改为 (1,2)”这个接口，但是引擎发现值与原来相同，不更新，直接返回；</li>
<li>InnoDB 认真执行了“把这个值修改成 (1,2)&quot;这个操作，该加锁的加锁，该更新的更新。</li>
</ol>
<p>你觉得实际情况会是以上哪种呢？你可否用构造实验的方式，来证明你的结论？进一步地，可以思考一下，MySQL 为什么要选择这种策略呢？</p>
<p>你可以把你的验证方法和思考写在留言区里，我会在下一篇文章的末尾和你讨论这个问题。感谢你的收听，也欢迎你把这篇文章分享给更多的朋友一起阅读。</p>
<h1>上期问题时间</h1>
<p>上期的问题是，用一个计数表记录一个业务表的总行数，在往业务表插入数据的时候，需要给计数值加 1。</p>
<p>逻辑实现上是启动一个事务，执行两个语句：</p>
<ol>
<li>insert into 数据表；</li>
<li>update 计数表，计数值加 1。</li>
</ol>
<p>从系统并发能力的角度考虑，怎么安排这两个语句的顺序。</p>
<p>这里，我直接复制 @阿建 的回答过来供你参考：</p>
<blockquote>
<p>并发系统性能的角度考虑，应该先插入操作记录，再更新计数表。
知识点在[《行锁功过：怎么减少行锁对性能的影响？》]
因为更新计数表涉及到行锁的竞争，先插入再更新能最大程度地减少事务之间的锁等待，提升并发度。</p>
</blockquote>
<p>评论区有同学说，应该把 update 计数表放后面，因为这个计数表可能保存了多个业务表的计数值。如果把 update 计数表放到事务的第一个语句，多个业务表同时插入数据的话，等待时间会更长。</p>
<p>这个答案的结论是对的，但是理解不太正确。即使我们用一个计数表记录多个业务表的行数，也肯定会给表名字段加唯一索引。类似于下面这样的表结构：</p>
<pre><code>CREATE TABLE `rows_stat` (
`table_name` varchar(64) NOT NULL,
`row_count` int(10) unsigned NOT NULL,
PRIMARY KEY (`table_name`)
) ENGINE=InnoDB;
</code></pre>
<p>在更新计数表的时候，一定会传入 where table_name=$table_name，使用主键索引，更新加行锁只会锁在一行上。</p>
<p>而在不同业务表插入数据，是更新不同的行，不会有行锁。</p>
</div>
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