【導讀】WAL 是一種什麼操作？在數據庫和消息隊列中爲什麼用到這種技術？本文對 WAL 做了詳細介紹。

引言

Write Ahead Logging，簡稱 WAL，也被翻譯成預寫式日誌，是數據庫技術中實現事務日誌 (Transaction Journal) 的一種標準方法，可以實現單機事務的原子性，同時可以提高數據庫的寫入效率。

思考如下場景，如何確保原子性：寫操作修改數據庫中 a 和 b 的值，二者是一個事務，需要把 a 和 b 的最新值持久化到磁盤，假如保存完 a 的值，系統宕機了，重新啓動後，a 的值已經寫入，但 b 待寫入的值已經丟失，如何發現事務沒有完成呢？如何保證事務的原子性呢？

可以爲事務加鎖，也爲事務增加標誌位，修改完磁盤數據後，標誌位設置事務爲完成，事務狀態保存在磁盤中，假使保存事務狀態的過程中宕機了，就把事務回滾掉。實現 REDO 和 UNDO，就能實現原子性。

數據庫中針對 Crash 和 Recovery 的解決方案是 WAL。

原理

WAL 的核心思想是先寫日誌再寫數據文件，修改數據文件必須發生在修改操作記錄在日誌文件之後。

本文的日誌指事務的操作日誌，本文提到的日誌都是指事務日誌，不再特殊聲明。

我們看 WAL 怎麼解決宕機和恢復的問題：

• 寫 WAL 前宕機了，重啓後，數據處於事務未執行的狀態。

• 寫 WAL 時宕機了，重啓後，可以檢查到 WAL 數據不正確，回滾當事務前的狀態。

• 寫 WAL 後宕機了，重啓後，把 WAL 中記錄的操作，應用到數據庫文件中，得到事務執行後的狀態。

如此，保證了數據的恢復和事務的原子性。

上面提到的都是寫操作，看一下使用 WAL 時的讀操作。WAL 中可能包含了未寫入到數據庫文件中的最新值，如果讀最新值就需要從 WAL 中讀取，如果 WAL 中未讀到，從數據庫讀到的就是最新的數據。

檢查點：寫入到 WAL 文件中的操作記錄並不一定會立刻應用到數據庫文件上，這個過程是異步的，設計檢查點來記錄已經被應用到數據庫文件上的操作序號，檢查點後面的操作記錄等待被應用到數據庫文件上。

優點

WAL 的作用是解決宕機和恢復的問題，同時也有其他優點：

1. 提高寫數據的性能

• WAL 是順序寫，數據庫文件是隨機寫，順序寫性能高於隨機寫

• 減少寫磁盤次數

• 不直接修改數據庫真實數據

• 合併若干小的事務，一次性 commit 到數據庫

2. 保證事務原子性

3. 保證事務一致性

4. 併發讀寫，比如 SQLite 中，讀寫、讀讀都是可以並行的，比如讀時需要找到 WAL 某個值最後寫入的位置，就可以從該位置讀數據，而寫操作是在 WAL 文件後 Append，二者並行。但寫寫不能並行，因爲 2 次寫操作都要向 WAL 文件 Append 數據，無法同時進行。

5. WAL 文件中記錄了數據的歷史版本，因此可以讀取歷史版本的值，甚至把狀態回滾到某個歷史版本。

缺點

SQLite 提到了 WAL 的幾項缺點：

1. WAL 需要 VFS 的支持。

2. 所有使用數據庫的進程必須在同一個機器上，以爲 WAL 是單機的。

3. 多讀少寫的場景 WAL 比 rollback-journal 類型要慢 1%~2%。

使用場景

WAL 幾乎是數據存儲 (數據庫只是數據存儲的一個類別，只不過這個類別很大) 的標配：

• Raft 可以使用 WAL 保存 log Entry 以及狀態

• 數據庫

• PgSQL 使用 WAL 實現事務日誌實現事務原子性、一致性，提升性能

• SQLite 使用 WAL 實現原子性

• MySQL 使用 WAL 實現持久性，保證數據不丟失的情況下提升性能

• leveldb 也使用 WAL 提升性能，保證操作原子性

轉自：大彬

lessisbetter.site/2020/01/02/wal-introduction/

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