什么是 WAL
數(shù)據(jù)庫中一種高效的日志算法，對(duì)于非內(nèi)存數(shù)據(jù)庫而言，磁盤I/O操作是數(shù)據(jù)庫效率的一大瓶頸。
在相同的數(shù)據(jù)量下，采用WAL日志的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在事務(wù)提交時(shí)，磁盤寫操作只有傳統(tǒng)的回滾日志的一半左右，大大提高了數(shù)據(jù)庫磁盤I/O操作的效率，從而提高了數(shù)據(jù)庫的性能。
WAL(Write Ahead Log)預(yù)寫日志，是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中常見的一種手段，用于保證數(shù)據(jù)操作的原子性和持久性。
在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，「預(yù)寫式日志」（Write-ahead logging，縮寫 WAL）是關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中用于提供原子性和持久性（ACID 屬性中的兩個(gè)）的一系列技術(shù)。
在使用 WAL 的系統(tǒng)中，所有的修改在提交之前都要先寫入 log 文件中。
log 文件中通常包括 redo 和 undo 信息，這樣做的目的可以通過一個(gè)例子來說明。
假設(shè)一個(gè)程序在執(zhí)行某些操作的過程中機(jī)器掉電了，在重新啟動(dòng)時(shí)，程序可能需要知道當(dāng)時(shí)執(zhí)行的操作是成功了還是部分成功或者是失敗了。
如果使用了 WAL，程序就可以檢查 log 文件，并對(duì)突然掉電時(shí)計(jì)劃執(zhí)行的操作內(nèi)容跟實(shí)際上執(zhí)行的操作內(nèi)容進(jìn)行比較。在這個(gè)比較的基礎(chǔ)上，程序就可以決定是撤銷已做的操作還是繼續(xù)完成已做的操作，或者是保持原樣。
WAL 允許用 in-place 方式更新數(shù)據(jù)庫。另一種用來實(shí)現(xiàn)原子更新的方法是 shadow paging，它并不是 in-place 方式。用 in-place 方式做更新的主要優(yōu)點(diǎn)是減少索引和塊列表的修改。
ARIES 是 WAL 系列技術(shù)常用的算法。
在文件系統(tǒng)中，WAL 通常稱為 journaling。
PostgreSQL 也是用 WAL 來提供 point-in-time 恢復(fù)和數(shù)據(jù)庫復(fù)制特性。
計(jì)算機(jī)中所有的問題都可以通過添加一個(gè)中間層來解決。
備份
如果想保證對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)的操作可以恢復(fù)，可以怎么做？
你不用去想數(shù)據(jù)庫是怎么實(shí)現(xiàn)的，也不用想太高深。其實(shí)這是一個(gè)很簡單的問題，我們常常在處理這種問題。最簡單的方法其實(shí)就是備份一份數(shù)據(jù)：當(dāng)我需要對(duì)一條數(shù)據(jù)做更新操作前，先將這條數(shù)據(jù)備份在一個(gè)地方，然后去更新，如果更新失敗，可以從備份數(shù)據(jù)中回寫回來。這樣就可以保證事務(wù)的回滾，就可以保證數(shù)據(jù)操作的原子性了。
其實(shí) SQLite 引入 WAL 之前就是通過這種方式來實(shí)現(xiàn)原子事務(wù)，稱之為 rollback journal， rollback journal 機(jī)制的原理是：在修改數(shù)據(jù)庫文件中的數(shù)據(jù)之前，先將修改所在分頁中的數(shù)據(jù)備份在另外一個(gè)地方，然后才將修改寫入到數(shù)據(jù)庫文件中；如果事務(wù)失敗，則將備份數(shù)據(jù)拷貝回來，撤銷修改；如果事務(wù)成功，則刪除備份數(shù)據(jù)，提交修改。
WAL
如何做到數(shù)據(jù)的可恢復(fù)（原子性）和提交成功的數(shù)據(jù)被持久化到磁盤（持久性）？
另一種機(jī)制就是WAL，WAL 機(jī)制的原理也很簡單：「修改并不直接寫入到數(shù)據(jù)庫文件中，而是寫入到另外一個(gè)稱為 WAL 的文件中；
如果事務(wù)失敗，WAL 中的記錄會(huì)被忽略，撤銷修改；
如果事務(wù)成功，它將在隨后的某個(gè)時(shí)間被寫回到數(shù)據(jù)庫文件中，提交修改?！?/p>
WAL 的優(yōu)點(diǎn)：
- 讀和寫可以完全地并發(fā)執(zhí)行，不會(huì)互相阻塞（但是寫之間仍然不能并發(fā)）。
- WAL 在大多數(shù)情況下，擁有更好的性能（因?yàn)闊o需每次寫入時(shí)都要寫兩個(gè)文件）。
- 磁盤 I/O 行為更容易被預(yù)測。
- 使用更少的 fsync()操作，減少系統(tǒng)脆弱的問題。
性能提升
我們都知道，數(shù)據(jù)庫的最大性能挑戰(zhàn)就是磁盤的讀寫，許多人在提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能上絞盡腦汁，提出和實(shí)驗(yàn)了一套又一套方法。
其實(shí)所有方案最終總結(jié)出來就三種：「隨機(jī)讀寫改順序讀寫」、「緩沖單條讀寫改批量讀寫」、「單線程讀寫改并發(fā)讀寫」。
WAL 其實(shí)也是這兩種思路的一種實(shí)現(xiàn)，一方面 WAL 中記錄事務(wù)的更新內(nèi)容，通過 WAL 將隨機(jī)的臟頁寫入變成順序的日志刷盤，另一方面，WAL 通過 buffer 的方式改單條磁盤刷入為緩沖批量刷盤，再者從 WAL 數(shù)據(jù)到最終數(shù)據(jù)的同步過程中可以采用并發(fā)同步的方式。這樣極大提升數(shù)據(jù)庫寫入性能，因此，WAL 的寫入能力決定了數(shù)據(jù)庫整體性能的上限，尤其是在高并發(fā)時(shí)。
checkpoint
上面講到，使用 WAL 的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不會(huì)再每新增一條 WAL 日志就將其刷入數(shù)據(jù)庫文件中，一般積累一定的量然后批量寫入，通常使用「頁」為單位，這是磁盤的寫入單位。
同步 WAL 文件和數(shù)據(jù)庫文件的行為被稱為 checkpoint（檢查點(diǎn)），一般在 WAL 文件積累到一定頁數(shù)修改的時(shí)候；
當(dāng)然，有些系統(tǒng)也可以手動(dòng)執(zhí)行 checkpoint。執(zhí)行 checkpoint 之后，WAL 文件可以被清空，這樣可以保證 WAL 文件不會(huì)因?yàn)樘蠖阅芟陆怠?/p>
有些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)讀取請(qǐng)求也可以使用 WAL，通過讀取 WAL 最新日志就可以獲取到數(shù)據(jù)的最新狀態(tài)。
為什么要使用WAL呢？
真正的執(zhí)行操作可能數(shù)據(jù)量會(huì)比較大，操作比較繁瑣，并且寫數(shù)據(jù)不一定是順序?qū)懀匀绻恳淮尾僮鞫家却Y(jié)果flush到可靠存儲(chǔ)（比如磁盤）中才執(zhí)行下一步操作的話，效率就太低了。
換一種思路，如果我們?cè)谧稣嬲牟僮髦?，先將這件事記錄下來，持久化到可靠存儲(chǔ)中（因?yàn)槿罩疽话愫苄?，并且是順序?qū)?，效率很高），然后再去?zhí)行真正的操作。
這樣執(zhí)行真正操作的時(shí)候也就不需要等待執(zhí)行結(jié)果flush到磁盤再執(zhí)行下一步，因?yàn)闊o論在哪一步出錯(cuò)，我們都能夠根據(jù)備忘錄重做一遍，得到正確的結(jié)果。
參考
PostgreSQL WAL日志解析與應(yīng)用
https://doc.huodongjia.com/detail-2388.html
你常聽說的WAL到底是什么？
https://www.cnblogs.com/xuwc/p/14037750.html
WAL(預(yù)寫式日志)簡介
https://lessisbetter.site/2020/01/02/wal-introduction
數(shù)據(jù)庫如何使用預(yù)寫式日志(Write Ahead Log, WAL) 解決 IO 問題的？
https://blog.csdn.net/universsky2015/article/details/100528607
