放了方便描述，本問(wèn)題討論的是都是page-oriented系統(tǒng)。道理都是一樣的，其他類型的系統(tǒng)也適用。在事務(wù)里，有兩個(gè)最重要的特性：

1. 原子性：原子性保證了事務(wù)的多個(gè)操作要么都生效要么都不生效，不會(huì)存在中間狀態(tài)
2. 持久性：持久性保證了一旦事務(wù)生效，就不會(huì)再因?yàn)槿魏卧蚨鴮?dǎo)致其修改的內(nèi)容被撤銷或丟失

眾所周知，數(shù)據(jù)必須要成功寫入硬盤等持久化存儲(chǔ)器后才能擁有持久性。實(shí)現(xiàn)原子性和持久性的最大困難是“寫入硬盤”這個(gè)操作并不是原子的，不僅有“寫入”與“未寫入”狀態(tài)，還客觀地存在著“正在寫”的中間狀態(tài)。所以如果不做額外保障措施，只是簡(jiǎn)單把內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，并不能保證原子性與持久性。這個(gè)中間態(tài)，大致可以歸納成3種情形：

1. 未提交事務(wù)，部分持久化，程序崩潰：例如修改5個(gè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)修改了3個(gè)，其中2個(gè)已經(jīng)持久化。程序崩潰后重啟，因?yàn)槭聞?wù)未提交，需要把持久化后的數(shù)據(jù)恢復(fù)回去。
2. 已提交事務(wù)，部分持久化，程序崩潰：例如修改5個(gè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)修改完，返回調(diào)用方成功，數(shù)據(jù)未持久化。程序就崩潰后重啟，需要把丟失的變更重做回來(lái)。
3. 已提交事務(wù)，完全沒(méi)持久化，程序崩潰：同2。

我們可以看到，這些問(wèn)題可以歸納成2個(gè)問(wèn)題：

1. 把臟數(shù)據(jù)恢復(fù)成之前的數(shù)據(jù)
2. 把丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)回來(lái)

為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，有3個(gè)流派，我們每個(gè)流派都說(shuō)一下

1. Shadow Paging
2. Commit Logging
3. Write-Ahead Logging

Shadow Paging

基本思想是這樣的，對(duì)于問(wèn)題1，如果我不in-place update，就沒(méi)有臟數(shù)據(jù)了，也就沒(méi)有把臟數(shù)據(jù)恢復(fù)之說(shuō)； 對(duì)于問(wèn)題2，如果事務(wù)提交成功的前提，數(shù)據(jù)已經(jīng)持久化，那么就不用丟失數(shù)據(jù)了。因此Shadow Paging在修改數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)先copy一份副本，基于這個(gè)副本做修改，如果需要修改多個(gè)數(shù)據(jù)，那么就分別copy多個(gè)副本做修改，修改完后把數(shù)據(jù)持久化下來(lái)。事務(wù)提交時(shí)，就是把之前引用老數(shù)據(jù)的指針，指向新數(shù)據(jù)，然后持久化，持久化完后，事務(wù)就提交成功。如果被修改的指針?lè)植荚趲讉€(gè)頁(yè)面上，那么對(duì)每個(gè)一個(gè)頁(yè)面，也是執(zhí)行shadow paging的策略去更新，是一個(gè)遞歸的過(guò)程。這里大家可以看到有幾個(gè)問(wèn)題：

1. copy page本身的開銷，性能問(wèn)題
2. 修改引用page也可能走shadow paging，性能問(wèn)題
3. 提交事務(wù)需要數(shù)據(jù)頻繁持久化，性能問(wèn)題（是否是隨機(jī)IO，取決于持久化層存儲(chǔ)引擎）
4. 一些隔離級(jí)別做起來(lái)成本高，例如支持read commit，那么就有mvcc，保存的是多個(gè)完整的page

可以看到shadow paging策略最大的問(wèn)題，就是性能差。如果要優(yōu)化的化，對(duì)于2、3，一般會(huì)結(jié)合接下來(lái)討論的兩個(gè)流派做優(yōu)化。

Commit Logging

基本思想是這樣的，對(duì)于問(wèn)題1，如果事務(wù)不提交，我就不持久化，那就沒(méi)臟數(shù)據(jù)了，也就沒(méi)有把臟數(shù)據(jù)恢復(fù)之說(shuō)；對(duì)于問(wèn)題2，事務(wù)提交成功的前提，是我把所有修改記錄，都append到日志中，提交時(shí)把事務(wù)提交的標(biāo)記也append到log中，然后做日志持久化，這樣就完成的事務(wù)提交。這時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)就很容易的，而且性能也高，因?yàn)閷?duì)于持久化存儲(chǔ)append的性能很高。因此使用Commit Logging策略的系統(tǒng)，每次修改數(shù)據(jù)前，都先append log，log并不要求刷盤，事務(wù)里的所有數(shù)據(jù)都修改完了，append 一個(gè)commit標(biāo)記到log中，然后對(duì)log進(jìn)行刷盤，即事務(wù)完成提交了。對(duì)于事務(wù)提交后的部分持久化問(wèn)題，可以通過(guò)在page處記錄持久化時(shí)對(duì)page做修改的日志序號(hào)，避免重復(fù)做即可，或者把操作設(shè)計(jì)成保證冪等性?？梢钥吹紺ommit Logging相比Shadow paging有不少優(yōu)點(diǎn)：

1. 不需要copy page，性能損耗小
2. 提交事務(wù)，持久化的只是log，并且是append only，性能高
3. mvcc好做，對(duì)于page內(nèi)的每個(gè)記錄一個(gè)版本號(hào)即可，不需要額外保存完整的page

但是Commit Logging也有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是只有事務(wù)提交后，數(shù)據(jù)才能做持久化。這樣在高并發(fā)常見(jiàn)下，可能不用充分利用硬盤的IO，而且對(duì)于大事務(wù)，所有數(shù)據(jù)都要在內(nèi)存中hold住。為了改善這兩點(diǎn)，就提出了Write-Ahead Logging。

Write-Ahead Logging

基本思想是這樣的，對(duì)于問(wèn)題1，如果事務(wù)不提交，持久化page的前提，是我記錄下修改前的數(shù)據(jù)，那么臟數(shù)據(jù)就能恢復(fù)了，這個(gè)log稱為undo log；對(duì)于問(wèn)題2，解決方法和Commit Logging一樣，這個(gè)log稱為redo log。因此使用WAL的系統(tǒng)，修改數(shù)據(jù)的流程是這樣的，對(duì)于每個(gè)修改詩(shī)句，修改前先append一條undo log，再append一條redo log，然后修改數(shù)據(jù)，事務(wù)未提交前，有數(shù)據(jù)要持久化時(shí)需要保證對(duì)應(yīng)的undo log已經(jīng)持久化。所有數(shù)據(jù)修改完后，append 一個(gè)commit標(biāo)記到log中，然后對(duì)log進(jìn)行刷盤，即事務(wù)完成提交了。系統(tǒng)崩潰服務(wù)重啟，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)時(shí)，先不管三七二十一，把redo log里所有明確有提交的事務(wù)重放一邊，然后在redo log里所有沒(méi)提交的事務(wù)，去undo log那找log，把臟頁(yè)的數(shù)據(jù)回滾回去?？梢钥吹胶虲ommit Logging相比，優(yōu)點(diǎn)是：

1. 充分利用硬盤IO，釋放內(nèi)存空間
2. 大事務(wù)不需要把所有數(shù)據(jù)都hold在內(nèi)存

理論化

我們將何時(shí)持久化變動(dòng)數(shù)據(jù)，按照事務(wù)提交時(shí)點(diǎn)為界，劃分為 FORCE 和 STEAL 兩類情況：

• FORCE：當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，要求變動(dòng)數(shù)據(jù)必須同時(shí)完成寫入則稱為 FORCE，如果不強(qiáng)制變動(dòng)數(shù)據(jù)必須同時(shí)完成寫入則稱為 NO-FORCE。

• STEAL：在事務(wù)提交前，允許變動(dòng)數(shù)據(jù)提前寫入則稱為 STEAL，不允許則稱為 NO-STEAL。

  
  
  image.png

Shadow Paging FORCE + NO-STEAL。

Commit Logging NO-FORCE+ NO-STEAL。

Write-Ahead Logging NO-FORCE + STEAL。

現(xiàn)實(shí)中絕大多數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的都是 NO-FORCE 策略，因?yàn)橹灰辛巳罩?，變?dòng)數(shù)據(jù)隨時(shí)可以持久化，從優(yōu)化磁盤 I/O 性能考慮，沒(méi)有必要強(qiáng)制數(shù)據(jù)寫入立即進(jìn)行。從優(yōu)化磁盤 I/O 性能考慮，允許數(shù)據(jù)提前寫入，有利于利用空閑 I/O 資源，也有利于節(jié)省數(shù)據(jù)庫(kù)緩存區(qū)的內(nèi)存。