一、多版本并发控制MVCC简介
1.1 什么是MVCC
MVCC (Multiversion Concurrency Control),多版本并发控制。顾名思义,MVCC 是通过数据行的多个版本管理来实现数据库的并发控制。这项技术使得在InnoDB的事务隔离级别下执行一致性读操作有了保证。换言之,就是为了查询一些正在被另一个事务更新的行,并且可以看到它们被更新之前的值,这样在做查询的时候就不用等待另一个事务释放锁。
MVCC没有正式的标准,在不同的DBMS中MVCC的实现方式可能是不同的。
MVCC在MySQL InnoDB中的实现主要是为了提高数据库并发性能,用更好的方式去处理 读-写冲突
,做到即使有读写冲突时,也能做到不加锁,非阻塞并发读,而这个读指的就是 快照读
,而非 当前读
。当前读实际上是一种加锁的操作,是悲观锁的实现。而MVCC本质是采用乐观锁思想的一种方式。
二、快照读与当前读
2.1 快照读
快照读又叫一致性读,读取的是快照数据。不加锁的简单的SELECT都属于快照读,即不加锁的非阻塞读。
之所以出现快照读的情况,是基于提高并发性能的考虑,快照读的实现是基于MVCC,它在很多情况下,避免了加锁操作,降低了开销。
既然是基于多版本,那么快照读可能读到的并不一定是数据的最新版本,而有可能是之前的历史版本。
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。
2.2 当前读
当前读读取的是记录的最新版本(最新数据,而不是历史版本的数据),读取时还要保证其它并发事务不能修改当前记录,会对读取的记录进行加锁。加锁的 SELECT,或者对数据进行增删改都会进行当前读。
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三、事务相关概念复习
3.1 再谈隔离级别
事务有 4 个隔离级别,可能存在三种并发问题: 在MySQL中,默认的隔离级别是可重复读,可以解决脏读和不可重复读的问题,如果仅从定义的角度来看,它并不能解决幻读问题。如果想要解决幻读问题,就需要采用串行化的方式,也就是将隔离级别提升到最高,但这样一来就会大幅度降低数据库的事务并发能力。
MVCC可以不采用锁机制,而是通过乐观锁的方式来解决不可重复读和幻读问题!它可以在大多数情况下替代行级锁,降低系统的开销。
3.2 隐藏字段、Undo Log版本链
对于使用InnoDB存储引擎的表来说,它的聚簇索引记录中都包含两个必要的隐藏列:
- trx_id:每次一个事务对某条聚簇索引记录进行改动时,都会把该事务的事务id赋值给trx_id 隐藏列;
- roll_pointer:每次对某条聚簇索引记录进行改动时,都会把旧的版本写入到 undo日志 中,然后这个隐藏列就相当于一个指针,可以通过它来找到该记录修改前的信息。
四、MVCC实现原理之ReadView
4.1 ReadView简介
MVCC 的实现依赖于: 隐藏字段、Undo Log、Read View。
ReadView 是事务在使用MVCC机制进行快照读操作时产生的 读视图。当事务启动时,会生成数据库系统当前的一个快照,InnoDB为每个事务构造了一个数组,用来记录并维护系统当前活跃事务的ID(“活跃”指的是启动了但还没提交)。
4.2 ReadView的设计思路
使用READ UNCOMMITTED隔离级别的事务,由于可以读到未提交事务修改过的记录,所以直接读取记录的最新版本就好了。
使用SERIALIZABLE隔离级别的事务,InnoDB规定使用加锁的方式来访问记录。
使用READ COMMITTED和REPEATABLE READ隔离级别的事务,都必须保证读到已经提交了的事务修改过的记录。假如另一个事务已经修改了记录但是尚未提交,是不能直接读取最新版本的记录的,核心问题就是需要判断一下版本链中的哪个版本是当前事务可见的,这是ReadView要解决的主要问题。
这个ReadView中主要包含4个比较重要的内容,分别如下:
- creator_trx_id,创建这个 Read View 的事务 ID。
Tips: 只有在对表中的记录做改动时(执行INSERT、DELETE、UPDATE这些语句时)才会为事务分配事务id,否则在一个只读事务中的事务id值都默认为0。
- trx_ids,表示在生成ReadView时当前系统中活跃的读写事务的事务id列表。
- up_limit_id,活跃的事务中最小的事务 ID。
- low_limit_id,表示生成ReadView时系统中应该分配给下一个事务的id值。low_limit_id 是系统最大的事务id值,这里要注意是系统中的事务id,需要区别于正在活跃的事务ID。
Tips:low_limit_id并不是trx_ids中的最大值,事务id是递增分配的。比如,现在有id为1, 2,3这三个事务,之后id为3的事务提交了。那么一个新的读事务在生成ReadView时,trx_ids就包括1和2,up_limit_id的值就是1,low_limit_id的值就是4。
4.3 ReadView的规则
有了这个ReadView,在访问某条记录时,只需要按照下边的步骤判断记录的某个版本是否可见。
- 如果被访问版本的trx_id属性值与ReadView中的creator_trx_id值相同,意味着当前事务在访问它自己修改过的记录,所以该版本可以被当前事务访问。
- 如果被访问版本的trx_id属性值小于ReadView中的up_limit_id值,表明生成该版本的事务在当前事务生成ReadView前已经提交,所以该版本可以被当前事务访问。
- 如果被访问版本的trx_id属性值大于或等于ReadView中的low_limit_id值,表明生成该版本的事务在当前事务生成ReadView后才开启,所以该版本不可以被当前事务访问。
- 如果被访问版本的trx_id属性值在ReadView的up_limit_id和low_limit_id之间,那就需要判断一下trx_id属性值是不是在 trx_ids 列表中。
- 如果在,说明创建ReadView时生成该版本的事务还是活跃的,该版本不可以被访问。
- 如果不在,说明创建ReadView时生成该版本的事务已经被提交,该版本可以被访问。
4.4 MVCC整体操作流程
1、操作流程
了解了这些概念之后,来看下当查询一条记录的时候,系统如何通过MVCC找到它:
- 首先获取事务自己的版本号,也就是事务 ID;
- 获取 ReadView;
- 查询得到的数据,然后与 ReadView 中的事务版本号进行比较;
- 如果不符合 ReadView 规则,就需要从 Undo Log 中获取历史快照;
- 最后返回符合规则的数据。
如果某个版本的数据对当前事务不可见的话,那就顺着版本链找到下一个版本的数据,继续按照上边的步骤判断可见性,一次类推,直到版本链中的最后一个版本。如果最后一个版本也不可见的话,那么就意味着该条记录对该事务完全不可见,查询结果就不包含该记录。
Tips: InnoDB中,MVCC是通过Undo Log + Read View 进行数据读取,Undo Log 保存了历史快照,而Read View规则帮判断当前版本的数据是否可见。
在隔离级别为读已提交(Read Committed)时,一个事务中的每一次 SELECT 查询都会重新获取一次Read View。
Tips: 注意,此时同样的查询语句都会重新获取一次Read View,这时如果Read View不同,就可能产生不可重复读或者幻读的情况。
当隔离级别为可重复读的时候,就避免了不可重复读,这是因为一个事务只在第一次SELECT的时候会获取一次Read View,而后面所有的SELECT都会复用这个Read View,如下图表所示:
2、举例说明
假设现在student表中只有一条由事务id为8的事务插入的一条记录:
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Tips: MVCC只能在READ COMMTTED和REPEATABLE READ两个隔离级别下工作。
在 READ COMMITTED隔离级别下:每次读取数据前都生成一个ReadView。 现在有网个事务id分别为10、20的事务在执行:
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说明:事务执行过程中,只有在真正修改记录时(比如使用INSERT、DELETE、UPDATE语句),才会被分配一个单独的事务id,这个事务id是递增的。所以才在事务20中更新一些别的表的记录,目的是让它分配事务id。
此刻,表student中id为1的记录得到的版本链表如下所示:
假设现在有一个使用READ COMMITTED隔离级别的事务开始执行:
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这个SELECT的执行过程如下:
- 步骤1:在执行SELECT语句时会先生成一个ReadView ,ReadView的trx_ids列表的内容就是[10,20],up_limit_id为10,low_limit_id为21, creator_trx_id为0。
- 步骤2:从版本链中挑选可见的记录,从图中看出,最新版本的列name的内容是’王五’,该版本的trx_id值为10,在trx_ids列表内,所以不符合可见性要求,根据roll_pointer跳到下一个版本。
- 步骤3:下一个版本的列name的内容是‘李四’,该版本的trx_id值也为10,也在trx_ids列表内,所以也不符合要求,继续跳到下一个版本。
- 步骤4:下一个版本的列name的内容是’张三’,该版本的trx_id值为8,小于ReadView中的up_limit_id值10,所以这个版本是符合要求的,最后返回给用户的版本就是这条列name为‘张三’的记录。
之后,把事务id为10的事务提交一下:
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然后再到事务id为20的事务中更新一下表student中id为1的记录:
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此刻,表student 中 id 为 1 的记录的版本链就长这样:
然后使用刚才 READ COMMITTED 隔离级别的事务继续查找这个 id 为 1 的记录,如下:
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这个SELECT2的执行过程如下:
- 步骤1:在执行SELECT语句时会又会单独生成一个ReadView,该ReadView的trx_ids列表的内容就是[20],up_limit_id为20,low_limit_id为21,creator_trx_id为0。
- 步骤2:从版本链中挑选可见的记录,从图中看出,最新版本的列name的内容是’宋八’,该版本的trx_id值为20,在trx_ids列表内,所以不符合可见性要求,根据roll_pointer跳到下一个版本。
- 步骤3:下一个版本的列name的内容是’钱七’,该版本的trx_id值为20,也在trx_ids列表内,所以也不符合要求,继续跳到下一个版本。
- 步骤4:下一个版本的列name的内容是’王五’,该版本的trx_id值为10,小于ReadView中的up_limit_id值20,所以这个版本是符合要求的,最后返回给用户的版本就是这条列name为’王五’的记录。
以此类推,如果之后事务id为20的记录也提交了,再次在使用READ COMMITTED隔离级别的事务中查询表student中id值为1的记录时,得到的结果就是‘宋八’了,具体流程就不分析了。
Tips: 使用READ COMMITTED隔离级别的事务在每次查询开始时都会生成一个独立的ReadView。
在 REPEATABLE READ隔离级别下:使用REPEATABLE READ隔离级别的事务来说,只会在第一次执行查询语句时生成一个 ReadView ,之后的查询就不会重复生成了。也就是满足事务的 可重复度 特性。
3、MVCC如何解决幻读
假设现在表 student 中只有一条数据,数据内容中,主键 id=1,隐藏的 trx_id=10,它的 undo log 如下图所示: 假设现在有事务 A 和事务 B 并发执行,事务 A的事务 id 为20,事务 B的事务 id 为30。
步骤1:事务 A 开始第一次查询数据,查询的 SQL 语句如下。
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在开始查询之前,MySQL 会为事务 A 产生一个 ReadView,此时 ReadView 的内容为:trx_ids= [20,30],up_limit_id=20,low_limit_id=31,creator_trx_id=20
。
由于此时表 student 中只有一条数据,且符合 where id>=1 条件,因此会查询出来。然后根据 ReadView机制,发现该行数据的trx_id=10,小于事务 A 的 ReadView 里 up_limit_id,这表示这条数据是事务 A 开启之前,其它事务就已经提交了的数据,因此事务 A 可以读取到。
结论:事务 A 的第一次查询,能读取到一条数据,id=1。
步骤2:接着事务 B(trx_id=30),往表 student 中新插入两条数据,并提交事务。
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此时表student 中就有三条数据了,对应的 undo 如下图所示:
步骤3:接着事务 A 开启第二次查询,根据可重复读隔离级别的规则,此时事务 A 并不会再重新生成ReadView。此时表 student 中的 3 条数据都满足 where id>=1 的条件,因此会先查出来。然后根据ReadView 机制,判断每条数据是不是都可以被事务 A 看到。
- 首先 id=1 的这条数据,前面已经说过了,可以被事务 A 看到。
- 然后是 id=2 的数据,它的 trx_id=30,此时事务 A 发现,这个值处于 up_limit_id 和 low_limit_id 之间,因此还需要再判断 30 是否处于 trx_ids 数组内。由于事务 A 的 trx_ids=[20,30],因此在数组内,这表示 id=2 的这条数据是与事务 A 在同一时刻启动的其它事务提交的,所以这条数据不能让事务 A 看到。
- 同理,id=3 的这条数据,trx_id 也为 30,因此也不能被事务 A 看见。
结论:最终事务 A 的第二次查询,只能查询出 id=1 的这条数据。这和事务 A 的第一次查询的结果是一样的,因此没有出现幻读现象,所以说在 MySQL 的可重复读隔离级别下,不存在幻读问题。
4.4 MMCC总结
这里介绍了MVCC在 READ COMMITTD
、REPEATABLE READ
这两种隔离级别的事务在执行 快照读操作
时访问记录的版本链的过程。这样使不同事务的 读-写
、写-读
操作并发执行,从而提升系统性能。
核心点在于 ReadView 的原理,READ COMMITTD、REPEATABLE READ这两个隔离级别的一个很大不同就是生成ReadView的时机不同:
- READ COMMITTD 在每一次进行普通SELECT操作前都会生成一个ReadView;
- REPEATABLE READ 只在第一次进行普通SELECT操作前生成一个ReadView,之后的查询操作都重复使用这个ReadView就好了;
说明:之前说执行DELETE语句或者更新主键的UPDATE语句并不会立即把对应的记录完全从页面中删除,而是执行一个所谓的delete mark操作,相当于只是对记录打上了一个删除标志位,这主要就是为MVCC服务的。
通过MVCC我们可以解决:
- 读写之间阻塞的问题。通过MVCC可以让读写互相不阻塞,即读不阻塞写,写不阻塞读,这样就可以提升事务并发处理能力。
- 降低了死锁的概率。这是因为MVCC采用了乐观锁的方式,读取数据时并不需要加锁,对于写操作,也只锁定必要的行。
- 解决快照读的问题。当我们查询数据库在某个时间点的快照时,只能看到这个时间点之前事务提交更新的结果,而不能看到这个时间点之后事务提交的更新结果。