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synced 2025-06-16 18:10:13 +08:00
[feat]MySQL三大日志(binlog、redo log和undo log)
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guide
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2e81334161
commit
d5d61b303c
@ -147,9 +147,10 @@ JVM 这部分内容主要参考 [JVM 虚拟机规范-Java8 ](https://docs.oracle
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1. [MySQL数据库索引总结](docs/database/mysql/MySQL数据库索引.md)
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2. [事务隔离级别(图文详解)](docs/database/mysql/事务隔离级别(图文详解).md)
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3. [InnoDB存储引擎对MVCC的实现](docs/database/mysql/InnoDB对MVCC的实现.md)
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4. [一条 SQL 语句在 MySQL 中如何执行的](docs/database/mysql/一条sql语句在mysql中如何执行的.md)
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5. [关于数据库中如何存储时间的一点思考](docs/database/mysql/关于数据库存储时间的一点思考.md)
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3. [MySQL三大日志(binlog、redo log和undo log)详解](docs/database/mysql/MySQL三大日志(binlog、redo log和undo log).md)
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4. [InnoDB存储引擎对MVCC的实现](docs/database/mysql/InnoDB对MVCC的实现.md)
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5. [一条 SQL 语句在 MySQL 中如何执行的](docs/database/mysql/一条sql语句在mysql中如何执行的.md)
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6. [关于数据库中如何存储时间的一点思考](docs/database/mysql/关于数据库存储时间的一点思考.md)
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### Redis
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280
docs/database/mysql/MySQL三大日志(binlog、redo log和undo log).md
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docs/database/mysql/MySQL三大日志(binlog、redo log和undo log).md
Normal file
@ -0,0 +1,280 @@
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> 本文来自公号程序猿阿星投稿，JavaGuide 对其做了补充完善。
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## 前言
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`MySQL` 日志 主要包括错误日志、查询日志、慢查询日志、事务日志、二进制日志几大类。其中，比较重要的还要属二进制日志 `binlog`（归档日志）和事务日志 `redo log`（重做日志）和 `undo log`（回滚日志）。
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今天就来聊聊 `redo log`（重做日志）、`binlog`（归档日志）、两阶段提交、`undo log` （回滚日志）。
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## redo log
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`redo log`（重做日志）是`InnoDB`存储引擎独有的，它让`MySQL`拥有了崩溃恢复能力。
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比如 `MySQL` 实例挂了或宕机了，重启时，`InnoDB`存储引擎会使用`redo log`恢复数据，保证数据的持久性与完整性。
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`MySQL` 中数据是以页为单位，你查询一条记录，会从硬盘把一页的数据加载出来，加载出来的数据叫数据页，会放入到 `Buffer Pool` 中。
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后续的查询都是先从 `Buffer Pool` 中找，没有命中再去硬盘加载，减少硬盘 `IO` 开销，提升性能。
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更新表数据的时候，也是如此，发现 `Buffer Pool` 里存在要更新的数据，就直接在 `Buffer Pool` 里更新。
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然后会把“在某个数据页上做了什么修改”记录到重做日志缓存（`redo log buffer`）里，接着刷盘到 `redo log` 文件里。
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理想情况，事务一提交就会进行刷盘操作，但实际上，刷盘的时机是根据策略来进行的。
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> 小贴士：每条 redo 记录由“表空间号+数据页号+偏移量+修改数据长度+具体修改的数据”组成
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### 刷盘时机
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`InnoDB` 存储引擎为 `redo log` 的刷盘策略提供了 `innodb_flush_log_at_trx_commit` 参数，它支持三种策略：
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- **0** ：设置为 0 的时候，表示每次事务提交时不进行刷盘操作
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- **1** ：设置为 1 的时候，表示每次事务提交时都将进行刷盘操作（默认值）
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- **2** ：设置为 2 的时候，表示每次事务提交时都只把 redo log buffer 内容写入 page cache
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`innodb_flush_log_at_trx_commit` 参数默认为 1 ，也就是说当事务提交时会调用 `fsync` 对 redo log 进行刷盘
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另外，`InnoDB` 存储引擎有一个后台线程，每隔`1` 秒，就会把 `redo log buffer` 中的内容写到文件系统缓存（`page cache`），然后调用 `fsync` 刷盘。
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也就是说，一个没有提交事务的 `redo log` 记录，也可能会刷盘。
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**为什么呢？**
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因为在事务执行过程 `redo log` 记录是会写入`redo log buffer` 中，这些 `redo log` 记录会被后台线程刷盘。
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除了后台线程每秒`1`次的轮询操作，还有一种情况，当 `redo log buffer` 占用的空间即将达到 `innodb_log_buffer_size` 一半的时候，后台线程会主动刷盘。
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下面是不同刷盘策略的流程图。
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#### innodb_flush_log_at_trx_commit=0
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为`0`时，如果`MySQL`挂了或宕机可能会有`1`秒数据的丢失。
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#### innodb_flush_log_at_trx_commit=1
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为`1`时， 只要事务提交成功，`redo log`记录就一定在硬盘里，不会有任何数据丢失。
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如果事务执行期间`MySQL`挂了或宕机，这部分日志丢了，但是事务并没有提交，所以日志丢了也不会有损失。
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#### innodb_flush_log_at_trx_commit=2
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为`2`时， 只要事务提交成功，`redo log buffer`中的内容只写入文件系统缓存（`page cache`）。
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如果仅仅只是`MySQL`挂了不会有任何数据丢失，但是宕机可能会有`1`秒数据的丢失。
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### 日志文件组
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硬盘上存储的 `redo log` 日志文件不只一个，而是以一个**日志文件组**的形式出现的，每个的`redo`日志文件大小都是一样的。
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比如可以配置为一组`4`个文件，每个文件的大小是 `1GB`，整个 `redo log` 日志文件组可以记录`4G`的内容。
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它采用的是环形数组形式，从头开始写，写到末尾又回到头循环写，如下图所示。
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在个**日志文件组**中还有两个重要的属性，分别是 `write pos、checkpoint`
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- **write pos** 是当前记录的位置，一边写一边后移
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- **checkpoint** 是当前要擦除的位置，也是往后推移
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每次刷盘 `redo log` 记录到**日志文件组**中，`write pos` 位置就会后移更新。
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每次 `MySQL` 加载**日志文件组**恢复数据时，会清空加载过的 `redo log` 记录，并把 `checkpoint` 后移更新。
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`write pos` 和 `checkpoint` 之间的还空着的部分可以用来写入新的 `redo log` 记录。
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如果 `write pos` 追上 `checkpoint` ，表示**日志文件组**满了，这时候不能再写入新的 `redo log` 记录，`MySQL` 得停下来，清空一些记录，把 `checkpoint` 推进一下。
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### redo log 小结
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相信大家都知道 `redo log` 的作用和它的刷盘时机、存储形式。
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现在我们来思考一个问题： **只要每次把修改后的数据页直接刷盘不就好了，还有 `redo log` 什么事？**
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它们不都是刷盘么？差别在哪里？
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```java
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1 Byte = 8bit
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1 KB = 1024 Byte
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1 MB = 1024 KB
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1 GB = 1024 MB
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1 TB = 1024 GB
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```
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实际上，数据页大小是`16KB`，刷盘比较耗时，可能就修改了数据页里的几 `Byte` 数据，有必要把完整的数据页刷盘吗？
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而且数据页刷盘是随机写，因为一个数据页对应的位置可能在硬盘文件的随机位置，所以性能是很差。
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如果是写 `redo log`，一行记录可能就占几十 `Byte`，只包含表空间号、数据页号、磁盘文件偏移
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量、更新值，再加上是顺序写，所以刷盘速度很快。
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所以用 `redo log` 形式记录修改内容，性能会远远超过刷数据页的方式，这也让数据库的并发能力更强。
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> 其实内存的数据页在一定时机也会刷盘，我们把这称为页合并，讲 `Buffer Pool`的时候会对这块细说
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## binlog
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`redo log` 它是物理日志，记录内容是“在某个数据页上做了什么修改”，属于 `InnoDB` 存储引擎。
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而 `binlog` 是逻辑日志，记录内容是语句的原始逻辑，类似于“给 ID=2 这一行的 c 字段加 1”，属于`MySQL Server` 层。
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不管用什么存储引擎，只要发生了表数据更新，都会产生 `binlog` 日志。
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那 `binlog` 到底是用来干嘛的？
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可以说`MySQL`数据库的**数据备份、主备、主主、主从**都离不开`binlog`，需要依靠`binlog`来同步数据，保证数据一致性。
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`binlog`会记录所有涉及更新数据的逻辑操作，并且是顺序写。
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### 记录格式
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`binlog` 日志有三种格式，可以通过`binlog_format`参数指定。
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- **statement**
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- **row**
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- **mixed**
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指定`statement`，记录的内容是`SQL`语句原文，比如执行一条`update T set update_time=now() where id=1`，记录的内容如下。
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同步数据时，会执行记录的`SQL`语句，但是有个问题，`update_time=now()`这里会获取当前系统时间，直接执行会导致与原库的数据不一致。
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为了解决这种问题，我们需要指定为`row`，记录的内容不再是简单的`SQL`语句了，还包含操作的具体数据，记录内容如下。
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`row`格式记录的内容看不到详细信息，要通过`mysqlbinlog`工具解析出来。
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`update_time=now()`变成了具体的时间`update_time=1627112756247`，条件后面的@1、@2、@3 都是该行数据第 1 个~3 个字段的原始值（**假设这张表只有 3 个字段**）。
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这样就能保证同步数据的一致性，通常情况下都是指定为`row`，这样可以为数据库的恢复与同步带来更好的可靠性。
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但是这种格式，需要更大的容量来记录，比较占用空间，恢复与同步时会更消耗`IO`资源，影响执行速度。
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所以就有了一种折中的方案，指定为`mixed`，记录的内容是前两者的混合。
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`MySQL`会判断这条`SQL`语句是否可能引起数据不一致，如果是，就用`row`格式，否则就用`statement`格式。
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### 写入机制
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`binlog`的写入时机也非常简单，事务执行过程中，先把日志写到`binlog cache`，事务提交的时候，再把`binlog cache`写到`binlog`文件中。
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因为一个事务的`binlog`不能被拆开，无论这个事务多大，也要确保一次性写入，所以系统会给每个线程分配一个块内存作为`binlog cache`。
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我们可以通过`binlog_cache_size`参数控制单个线程 binlog cache 大小，如果存储内容超过了这个参数，就要暂存到磁盘（`Swap`）。
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`binlog`日志刷盘流程如下
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- **上图的 write，是指把日志写入到文件系统的 page cache，并没有把数据持久化到磁盘，所以速度比较快**
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- **上图的 fsync，才是将数据持久化到磁盘的操作**
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`write`和`fsync`的时机，可以由参数`sync_binlog`控制，默认是`0`。
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为`0`的时候，表示每次提交事务都只`write`，由系统自行判断什么时候执行`fsync`。
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虽然性能得到提升，但是机器宕机，`page cache`里面的 binglog 会丢失。
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为了安全起见，可以设置为`1`，表示每次提交事务都会执行`fsync`，就如同**binlog 日志刷盘流程**一样。
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最后还有一种折中方式，可以设置为`N(N>1)`，表示每次提交事务都`write`，但累积`N`个事务后才`fsync`。
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在出现`IO`瓶颈的场景里，将`sync_binlog`设置成一个比较大的值，可以提升性能。
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同样的，如果机器宕机，会丢失最近`N`个事务的`binlog`日志。
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## 两阶段提交
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`redo log`（重做日志）让`InnoDB`存储引擎拥有了崩溃恢复能力。
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`binlog`（归档日志）保证了`MySQL`集群架构的数据一致性。
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虽然它们都属于持久化的保证，但是则重点不同。
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在执行更新语句过程，会记录`redo log`与`binlog`两块日志，以基本的事务为单位，`redo log`在事务执行过程中可以不断写入，而`binlog`只有在提交事务时才写入，所以`redo log`与`binlog`的写入时机不一样。
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回到正题，`redo log`与`binlog`两份日志之间的逻辑不一致，会出现什么问题？
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我们以`update`语句为例，假设`id=2`的记录，字段`c`值是`0`，把字段`c`值更新成`1`，`SQL`语句为`update T set c=1 where id=2`。
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假设执行过程中写完`redo log`日志后，`binlog`日志写期间发生了异常，会出现什么情况呢？
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由于`binlog`没写完就异常，这时候`binlog`里面没有对应的修改记录。因此，之后用`binlog`日志恢复数据时，就会少这一次更新，恢复出来的这一行`c`值是`0`，而原库因为`redo log`日志恢复，这一行`c`值是`1`，最终数据不一致。
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为了解决两份日志之间的逻辑一致问题，`InnoDB`存储引擎使用**两阶段提交**方案。
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原理很简单，将`redo log`的写入拆成了两个步骤`prepare`和`commit`，这就是**两阶段提交**。
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使用**两阶段提交**后，写入`binlog`时发生异常也不会有影响，因为`MySQL`根据`redo log`日志恢复数据时，发现`redo log`还处于`prepare`阶段，并且没有对应`binlog`日志，就会回滚该事务。
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再看一个场景，`redo log`设置`commit`阶段发生异常，那会不会回滚事务呢？
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并不会回滚事务，它会执行上图框住的逻辑，虽然`redo log`是处于`prepare`阶段，但是能通过事务`id`找到对应的`binlog`日志，所以`MySQL`认为是完整的，就会提交事务恢复数据。
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## undo log
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> 这部分内容为 JavaGuide 的补充：
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我们知道如果想要保证事务的原子性，就需要在异常发生时，对已经执行的操作进行**回滚**，在 MySQL 中，恢复机制是通过 **回滚日志（undo log）** 实现的，所有事务进行的修改都会先先记录到这个回滚日志中，然后再执行相关的操作。如果执行过程中遇到异常的话，我们直接利用 **回滚日志** 中的信息将数据回滚到修改之前的样子即可！并且，回滚日志会先于数据持久化到磁盘上。这样就保证了即使遇到数据库突然宕机等情况，当用户再次启动数据库的时候，数据库还能够通过查询回滚日志来回滚将之前未完成的事务。
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另外，`MVCC` 的实现依赖于：**隐藏字段、Read View、undo log**。在内部实现中，`InnoDB` 通过数据行的 `DB_TRX_ID` 和 `Read View` 来判断数据的可见性，如不可见，则通过数据行的 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的历史版本。每个事务读到的数据版本可能是不一样的，在同一个事务中，用户只能看到该事务创建 `Read View` 之前已经提交的修改和该事务本身做的修改
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## 总结
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> 这部分内容为 JavaGuide 的补充：
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MySQL InnoDB 引擎使用 **redo log(重做日志)** 保证事务的**持久性**，使用 **undo log(回滚日志)** 来保证事务的**原子性**。
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`MySQL`数据库的**数据备份、主备、主主、主从**都离不开`binlog`，需要依靠`binlog`来同步数据，保证数据一致性。
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## 站在巨人的肩膀上
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