一文读懂MVCC实现原理

一文读懂MVCC实现原理

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/USTC_Zn/article/details/123622672

1. MVCC简介

MVCC（Multi-Version Concurrency Control）即多版本并发控制，是一种并发控制的方法，主要用于数据库管理系统中实现对数据库的并发访问。在MySQL InnoDB中，MVCC的主要目的是提高数据库的并发性能，通过更好的方式处理读写冲突，即使在有读写冲突的情况下也能做到不加锁、非阻塞并发读。

2. 当前读

当前读是指读取最新版本的数据。例如，SELECT ... LOCK IN SHARE MODE（共享锁）、SELECT FOR UPDATE、UPDATE、INSERT和DELETE（排他锁）等操作都属于当前读。这类读操作会读取记录的最新版本，并且为了保证其他并发事务不能修改当前记录，会对读取的记录进行加锁。

3. 快照读

快照读是指读取历史版本的数据，通常用于提高数据库的并发查询能力。不加锁的SELECT操作就是快照读，即非阻塞读。快照读的前提是隔离级别不是串行级别，串行级别下的快照读会退化成当前读。快照读的实现基于多版本并发控制（MVCC），可以认为MVCC是行锁的一个变种，但在很多情况下避免了加锁操作，降低了开销。由于基于多版本，快照读可能读到的并不一定是数据的最新版本，而可能是之前的历史版本。

4. 当前读、快照读与MVCC的关系

MVCC多版本并发控制指的是维持一个数据的多个版本，使得读写操作没有冲突。快照读是MySQL为实现MVCC的一个非阻塞读功能。MVCC在MySQL中的具体实现主要依赖于三个隐式字段、undo日志和read view。

5. MVCC解决的问题

数据库并发场景主要有三种：

1. 读读：不存在任何问题，也不需要并发控制
2. 读写：有线程安全问题，可能会造成事务隔离性问题，可能遇到脏读、幻读、不可重复读
3. 写写：有线程安全问题，可能存在更新丢失问题

MVCC是一种用来解决读写冲突的无锁并发控制，它通过为事务分配单项增长的时间戳，为每个修改保存一个版本，版本与事务时间戳关联。读操作只读该事务开始前的数据库的快照，因此MVCC可以解决以下问题：

1. 在并发读写数据库时，可以做到在读操作时不用阻塞写操作，写操作也不用阻塞读操作，提高了数据库并发读写的性能
2. 解决脏读、幻读、不可重复读等事务隔离问题，但是不能解决更新丢失问题

6. MVCC实现原理

MVCC的实现原理主要依赖于记录中的三个隐藏字段、undo日志和read view。

隐藏字段

每行记录除了自定义的字段外，还有数据库隐式定义的DBTRXID、DBROLLPTR和DBROWID等字段：

• DBTRXID：6字节，记录创建这条记录或者最后一次修改该记录的事务ID
• DBROLLPTR：7字节，回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合undo日志，指向上一个旧版本
• DBROWID：6字节，隐藏的主键，如果数据表没有主键，InnoDB会自动生成一个6字节的row_id

记录结构如下图所示：

Undo Log

Undo log被称之为回滚日志，表示在进行insert、delete、update操作时产生的方便回滚的日志。

• 当进行insert操作时，产生的undo log只在事务回滚时需要，并且在事务提交后可以被立刻丢弃
• 当进行update和delete操作时，产生的undo log不仅仅在事务回滚时需要，在快照读时也需要，所以不能随便删除，只有在快照读或事务回滚不涉及该日志时，对应的日志才会被purge线程统一清除

下面我们来看一下undo log生成的记录链：

1. 假设有一个事务编号为1的事务向表中插入一条记录，那么此时行数据的状态为：

2. 假设有第二个事务编号为2对该记录的name做出修改，改为lisi

• 在事务2修改该行记录数据时，数据库会对该行加排他锁
• 然后把该行数据拷贝到undo log中，作为旧记录，即在undo log中有当前行的拷贝副本
• 拷贝完毕后，修改该行name为lisi，并且修改隐藏字段的事务id为当前事务2的id，回滚指针指向拷贝到undo log的副本记录中
• 事务提交后，释放锁

3. 假设有第三个事务编号为3对该记录的age做了修改，改为32

• 在事务3修改该行数据时，数据库会对该行加排他锁
• 然后把该行数据拷贝到undo log中，作为旧记录，发现该行记录已经有undo log了，那么最新的旧数据作为链表的表头，插在该行记录的undo log最前面
• 修改该行age为32岁，并且修改隐藏字段的事务id为当前事务3的id，回滚指针指向刚刚拷贝的undo log的副本记录
• 事务提交，释放锁

从上述的一系列图中，大家可以发现，不同事务或者相同事务的对同一记录的修改，会导致该记录的undo log生成一条记录版本线性表，即链表，undo log的链首就是最新的旧记录，链尾就是最早的旧记录。

Read View

Read View是事务进行快照读操作时生成的读视图，在该事务执行快照读的那一刻，会生成一个数据系统当前的快照，记录并维护系统当前活跃事务的id，事务的id值是递增的。

Read View的最大作用是用来做可见性判断的，也就是说当某个事务在执行快照读时，对该记录创建一个Read View的视图，把它当作条件去判断当前事务能够看到哪个版本的数据，有可能读取到的是最新的数据，也有可能读取的是当前行记录的undo log中某个版本的数据。

Read View遵循的可见性算法主要是将要被修改的数据的最新记录中的DBTRXID（当前事务id）取出来，与系统当前其他活跃事务的id去对比，如果DBTRXID跟Read View的属性做了比较，不符合可见性，那么就通过DBROLLPTR回滚指针去取出undo log中的DBTRXID做比较，即遍历链表中的DBTRXID，直到找到满足条件的DBTRXID，这个DBTRXID所在的旧记录就是当前事务能看到的最新老版本数据。

Read View的可见性规则如下所示：

首先要知道Read View中的三个全局属性：

• trx_list：一个数值列表，用来维护Read View生成时刻系统正活跃的事务ID（1,2,3）
• uplimitid：记录trx_list列表中事务ID最小的ID（1）
• lowlimitid：Read View生成时刻系统尚未分配的下一个事务ID（4）

具体的比较规则如下：

1. 首先比较DBTRXID < uplimitid，如果小于，则当前事务能看到DBTRXID所在的记录，如果大于等于进入下一个判断
2. 接下来判断DBTRXID >= lowlimitid，如果大于等于则代表DBTRXID所在的记录在Read View生成后才出现的，那么对于当前事务肯定不可见，如果小于，则进入下一步判断
3. 判断DBTRXID是否在活跃事务中，如果在，则代表在Read View生成时刻，这个事务还是活跃状态，还没有commit，修改的数据，当前事务也是看不到，如果不在，则说明这个事务在Read View生成之前就已经开始commit，那么修改的结果是能够看见的。

7. MVCC的整体处理流程

假设有四个事务同时在执行，如下图所示：

从上述表格中，我们可以看到，当事务2对某行数据执行了快照读，数据库为该行数据生成一个Read View视图，可以看到事务1和事务3还在活跃状态，事务4在事务2快照读的前一刻提交了更新，所以，在Read View中记录了系统当前活跃事务1，3，维护在一个列表中。同时可以看到uplimitid的值为1，而lowlimitid为5，如下图所示：

在上述的例子中，只有事务4修改过该行记录，并在事务2进行快照读前，就提交了事务，所以该行当前数据的undo log如下所示：

当事务2在快照读该行记录时，会拿着该行记录的DBTRXID去跟uplimitid、lowerlimitid和活跃事务列表进行比较，判断事务2能看到该行记录的版本是哪个。

具体流程如下：先拿该行记录的事务ID（4）去跟Read View中的uplimitid相比较，判断是否小于，通过对比发现不小于，所以不符合条件，继续判断4是否大于等于lowlimitid，通过比较发现也不大于，所以不符合条件，判断事务4是否处理trx_list列表中，发现不再次列表中，那么符合可见性条件，所以事务4修改后提交的最新结果对事务2 的快照是可见的，因此，事务2读取到的最新数据记录是事务4所提交的版本，而事务4提交的版本也是全局角度的最新版本。

8. RC、RR级别下的InnoDB快照读有什么不同

因为Read View生成时机的不同，从而造成RC、RR级别下快照读的结果的不同：

1. 在RR级别下的某个事务的对某条记录的第一次快照读会创建一个快照即Read View，将当前系统活跃的其他事务记录起来，此后在调用快照读时，还是使用的是同一个Read View，所以只要当前事务在其他事务提交更新之前使用过快照读，那么之后的快照读使用的都是同一个Read View，所以对之后的修改不可见
2. 在RR级别下，快照读生成Read View时，Read View会记录此时所有其他活动和事务的快照，这些事务的修改对于当前事务都是不可见的，而早于Read View创建的事务所做的修改均是可见
3. 在RC级别下，事务中，每次快照读都会新生成一个快照和Read View，这就是我们在RC级别下的事务中可以看到别的事务提交的更新的原因。

总结：在RC隔离级别下，是每个快照读都会生成并获取最新的Read View，而在RR隔离级别下，则是同一个事务中的第一个快照读才会创建Read View，之后的快照读获取的都是同一个Read View。