继上两期月报，MySQL5.7新特性之一介绍了一些新特性及兼容性问题，MySQL 5.7新特性之二介绍了临时表的优化和实现。
这期我们一起来学习下undo空间管理，重点介绍truncate功能。

1. 背景

InnoDB存储引擎中，undo在完成事务回滚和MVCC之后，就可以purge掉了，但undo在事务执行过程中，进行的空间分配如何回收，就变成了一个问题。 我们亲历用户的小实例，因为一个大事务，导致ibdata file到800G大小。

我们先大致看下InnoDB的undo在不同的版本上的一些演进:

MySQL 5.5的版本上
InnoDB undo是放在系统表空间即ibdata file文件中，这样如果有比较大的事务(即需要生成大量undo的)，会撑大ibdata数据文件， 虽然空间可以重用， 但文件大小不能更改。
关于回滚段的，只有这个主要的参数，用来设置多少个rollback segment。

  1. mysql> show global variables like '%rollback_segment%';
  2. +----------------------------+-------+
  3. | Variable_name              | Value |
  4. +----------------------------+-------+
  5. | innodb_rollback_segments   | 128   |
  6. +----------------------------+-------+

MySQL 5.6的版本上
InnoDB undo支持独立表空间， 增加如下参数：

  1. +-------------------------+-------+
  2. | Variable_name           | Value |
  3. +-------------------------+-------+
  4. | innodb_undo_directory   | .     |
  5. | innodb_undo_logs        | 128   |
  6. | innodb_undo_tablespaces | 1     |
  7. +-------------------------+-------+

这样，在install的时候，就会在data目录下增加undo数据文件，来组成undo独立表空间，但文件变大之后的空间回收还是成为问题。

MySQL 5.7的版本上
InnoDB undo在支持独立表空间的基础上，支持表空间的truncate功能，增加了如下参数：

  1. mysql> show global variables like '%undo%';                                                                                 +--------------------------+------------+
  2. | Variable_name            | Value      |
  3. +--------------------------+------------+
  4. | innodb_max_undo_log_size | 1073741824 |
  5. | innodb_undo_directory    | ./         |
  6. | innodb_undo_log_truncate | OFF        |
  7. | innodb_undo_logs         | 128        |
  8. | innodb_undo_tablespaces  | 3          |
  9. +--------------------------+------------+
  10. mysql> show global variables like '%truncate%';
  11. +--------------------------------------+-------+
  12. | Variable_name                        | Value |
  13. +--------------------------------------+-------+
  14. | innodb_purge_rseg_truncate_frequency | 128   |
  15. | innodb_undo_log_truncate             | OFF   |
  16. +--------------------------------------+-------+

InnoDB的purge线程，会根据innodb_undo_log_truncate开关的设置，和innodb_max_undo_log_size设置的文件大小阈值，以及truncate的频率来进行空间回收和rollback segment的重新初始化。

接下来我们详细看下5.7的InnoDB undo的管理：

2. undo表空间创建

设置innodb_undo_tablespaces的个数， 在mysql install的时候，创建指定数量的表空间。
InnoDB支持128个undo logs，这里特别说明下，从5.7开始，innodb_rollback_segments的名字改成了innodb_undo_logs，但表示的都是回滚段的个数。
从5.7.2开始，其中32个undo logs为临时表的事务分配的，因为这部分undo不记录redo，不需要recovery，另外从33-128一共96个是redo-enabled undo。

rollback segment的分配如下：

  1. Slot-0: reserved for system-tablespace.
  2. Slot-1....Slot-N: reserved for temp-tablespace.
  3. Slot-N+1....Slot-127: reserved for system/undo-tablespace. */

其中如果是临时表的事务，需要分配两个undo logs，其中一个是non-redo undo logs；这部分用于临时表数据的回滚。 另外一个是redo-enabled undo log，是为临时表的元数据准备的，需要recovery。

而且， 其中32个rollback segment创建在临时表空间中，并且临时表空间中的回滚段在每次server start的时候，需要重建。

每一个rollback segment可以分配1024个slot，也就是可以支持96*1024个并发的事务同时， 但如果是临时表的事务，需要占用两个slot。

InnoDB undo的空间管理简图如下：

undo空间管理

注核心结构说明：

1. rseg slot
rseg slot一共128个，保存在ibdata系统表空间中，其位置在：

  1.       /*!< the start of the array of rollback segment specification slots */
  2.       #define    TRX_SYS_RSEGS        (8 + FSEG_HEADER_SIZE)

每一个slot保存着rollback segment header的位置。包括space_id + page_no，占用8个bytes。其宏定义：

  1. /* Rollback segment specification slot offsets */
  2. /*-------------------------------------------------------------*/
  3. #define    TRX_SYS_RSEG_SPACE    0    /* space where the segment
  4.                     header is placed; starting with
  5.                     MySQL/InnoDB 5.1.7, this is
  6.                     UNIV_UNDEFINED if the slot is unused */
  7. #define    TRX_SYS_RSEG_PAGE_NO    4    /*  page number where the segment
  8.                     header is placed; this is FIL_NULL
  9.                     if the slot is unused */
  11. /* Size of a rollback segment specification slot */
  12. #define TRX_SYS_RSEG_SLOT_SIZE    8

2. rseg header
rseg header在undo表空间中，每一个rseg包括1024个undo segment slot，每一个slot保存着undo segment header的位置，包括page_no，暂用4个bytes，因为undo segment不会跨表空间，所以space_id就没有必要了。
其宏定义如下：

  1. /* Undo log segment slot in a rollback segment header */
  2. /*-------------------------------------------------------------*/
  3. #define    TRX_RSEG_SLOT_PAGE_NO    0    /* Page number of the header page of
  4.                     an undo log segment */
  5. /*-------------------------------------------------------------*/
  6. /* Slot size */
  7. #define TRX_RSEG_SLOT_SIZE    4

3. undo segment header
undo segment header page即段内的第一个undo page，其中包括四个比较重要的结构：

undo segment header进行段内空间的管理
undo page headerpage内空间的管理，page的类型：FIL_PAGE_UNDO_LOG
undo header包含undo record的链表，以便安装事务的反顺序，进行回滚
undo record剩下的就是undo记录了。

3. undo段的分配

undo段的分配比较简单，其过程如下：

首先是rollback segment的分配：

  1. trx->rsegs.m_redo.rseg = trx_assign_rseg_low(
  2.   srv_undo_logs, srv_undo_tablespaces,
  3.   TRX_RSEG_TYPE_REDO);
  1. 使用round-robin的方式来分配rollback segment
  2. 如果有单独设置undo表空间，就不使用system表空间中的undo segment
  3. 如果设置的是truncate的就不分配
  4. 一旦分配了，就设置trx_ref_count，不允许truncate。

具体代码参考：

  1. /******************************************************************//**
  2. Get next redo rollback segment. (Segment are assigned in round-robin fashion).
  3. @return assigned rollback segment instance */
  4. static
  5. trx_rseg_t*
  6. get_next_redo_rseg(
  7. /*===============*/
  8.     ulong    max_undo_logs,    /*!< in: maximum number of UNDO logs to use */
  9.     ulint    n_tablespaces)    /*!< in: number of rollback tablespaces */

其次是undo segment的创建：

从rollback segment里边选择一个free的slot，如果没有，就会报错，通常是并发的事务太多。
错误日志如下：

  1. ib::warn() << "Cannot find a free slot for an undo log. Do"
  2.     " you have too many active transactions running"
  3.     " concurrently?";

如果有free，就创建一个undo的segment。

核心的代码如下：

  1. /***************************************************************//**
  2. Creates a new undo log segment in file.
  3. @return DB_SUCCESS if page creation OK possible error codes are:
  4. DB_TOO_MANY_CONCURRENT_TRXS DB_OUT_OF_FILE_SPACE */
  5. static 
  6. dberr_t
  7. trx_undo_seg_create(
  8. /*================*/
  9.     trx_rseg_t*    rseg __attribute__((unused)),/*!< in: rollback segment */
  10.     trx_rsegf_t*    rseg_hdr,/*!< in: rollback segment header, page
  11.                 x-latched */
  12.     ulint        type,    /*!< in: type of the segment: TRX_UNDO_INSERT or
  13.                 TRX_UNDO_UPDATE */
  14.     ulint*        id,    /*!< out: slot index within rseg header */
  15.     page_t**    undo_page,
  16.                 /*!< out: segment header page x-latched, NULL
  17.                 if there was an error */
  18.     mtr_t*        mtr)    /*!< in: mtr */
  20.     /*    fputs(type == TRX_UNDO_INSERT
  21.     ? "Creating insert undo log segment\n"
  22.     : "Creating update undo log segment\n", stderr); */
  23.     slot_no = trx_rsegf_undo_find_free(rseg_hdr, mtr);
  25.     if (slot_no == ULINT_UNDEFINED) {
  26.         ib::warn() << "Cannot find a free slot for an undo log. Do"
  27.             " you have too many active transactions running"
  28.             " concurrently?";
  30.         return(DB_TOO_MANY_CONCURRENT_TRXS);
  31.     }

4. undo的truncate

undo的truncate主要由下面两个参数控制：innodb_purge_rseg_truncate_frequency，innodb_undo_log_truncate。

  1. innodb_undo_log_truncate是开关参数。
  2. innodb_purge_rseg_truncate_frequency默认128，表示purge undo轮询128次后，进行一次undo的truncate。

当设置innodb_undo_log_truncate=ON的时候， undo表空间的文件大小，如果超过了innodb_max_undo_log_size， 就会被truncate到初始大小，但有一个前提，就是表空间中的undo不再被使用。

其主要步骤如下：

  1. 超过大小了之后，会被mark truncation，一次会选择一个
  2. 选择的undo不能再分配新给新的事务
  3. purge线程清理不再需要的rollback segment
  4. 等所有的回滚段都释放了后，truncate操作，使其成为install db时的初始状态。

默认情况下， 是purge触发128次之后，进行一次rollback segment的free操作，然后如果全部free就进行一个truncate。

但mark的操作需要几个依赖条件需要满足：

  1. 系统至少得有两个undo表空间，防止一个offline后，至少另外一个还能工作
  2. 除了ibdata里的segment，还至少有两个segment可用
  3. undo表空间的大小确实超过了设置的阈值

其核心代码参考：

  1. /** Iterate over all the UNDO tablespaces and check if any of the UNDO
  2. tablespace qualifies for TRUNCATE (size > threshold).
  3. @param[in,out]    undo_trunc    undo truncate tracker */
  4. static
  5. void
  6. trx_purge_mark_undo_for_truncate(
  7.     undo::Truncate*    undo_trunc)

因为，只要你设置了truncate = on，MySQL就尽可能的帮你去truncate所有的undo表空间，所以它会循环的把undo表空间加入到mark列表中。

最后，循环所有的undo段，如果所属的表空间是marked truncate，就把这个rseg标志位不可分配，加入到trunc队列中，在purge的时候，进行free rollback segment。

注意：
如果是在线库，要注意影响，因为当一个undo tablespace在进行truncate的时候，不再承担undo的分配。只能由剩下的undo 表空间的rollback segment接受事务undo空间请求。

MySQL 5.7 新特性系列，下次进行group replication的分享，敬请期待。