在数据库系统中，多版本并发控制（MVCC, Multi-Version Concurrency Control） 是一种用于提高并发性能的机制，它允许多个事务同时读取和写入数据，而不会产生锁等待和阻塞的问题。MySQL 的 InnoDB 存储引擎广泛使用了 MVCC 来处理并发事务。为了深入理解 MVCC 的工作原理，我们需要了解事务、版本链、Read View 的概念。

1. 事务和版本链

1.1 事务的基本概念

• 事务（Transaction） 是数据库中的一个操作序列，这些操作要么全部执行成功，要么全部撤销。事务具有四个特性：原子性、一致性、隔离性、持久性（ACID）。
• 在 MVCC 中，每个事务都有一个唯一的事务 ID（trx_id），用于标识事务。

1.2 版本链

• 在 InnoDB 中，每一行数据都有一个隐藏的列 trx_id，记录了最后一次修改该行的事务 ID。
• 当一条记录被更新时，InnoDB 并不会立即删除旧的记录，而是将新的记录作为一个版本（新版本）插入，并将旧记录保留作为历史版本。
• 这些历史版本通过指针链接起来，形成一个版本链。最新的记录在链的头部，旧版本依次排在后面。

2. Read View 和 MVCC

在 MVCC 中，事务在读取数据时会创建一个 Read View。Read View 记录了当前数据库中活跃事务的状态，并通过它来决定哪些数据版本对当前事务可见，哪些不可见。

2.1 Read View 的关键属性

在创建 Read View 后，我们可以将记录中的 trx id 划分这三种情况：

• min_trx_id：当前系统中所有未提交事务的最小事务 ID。表示在 Read View 创建时，所有事务 ID 小于 min_trx_id 的事务都已经提交。
• max_trx_id：在 Read View 创建时数据库中下一个将要分配的事务 ID。表示在 Read View 创建时，所有事务 ID 大于等于 max_trx_id 的事务是未来才会启动的事务。
• m_ids：在 Read View 创建时，当前系统中所有活跃的事务 ID 列表。表示在 Read View 创建时，这些事务还未提交。

2.2 MVCC 的可见性规则

当一个事务试图读取某条记录时，InnoDB 会使用 MVCC 机制判断该记录的哪个版本对当前事务可见。判断过程如下：

1. 自己的事务更新的记录总是可见：

   • 如果当前事务对某条记录进行了更新（创建了新版本），那么这个版本对该事务总是可见的。

2. 记录的 trx_id 小于 min_trx_id：

   • 如果记录的 trx_id 小于 min_trx_id，说明这个版本的记录是在创建 Read View 之前的某个事务中生成的，且该事务已经提交。
   • 因此，这个版本的记录对当前事务是可见的。

3. 记录的 trx_id 大于等于 max_trx_id：

   • 如果记录的 trx_id 大于等于 max_trx_id，说明这个版本的记录是在创建 Read View 之后的某个事务中生成的（这些事务甚至可能还未开始）。
   • 因此，这个版本的记录对当前事务不可见。

4. 记录的 trx_id 在 min_trx_id 和 max_trx_id 之间：

   • 如果记录的 trx_id 介于 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，需要进一步检查 trx_id 是否在 m_ids 列表中：
     • 在 m_ids 列表中：表示生成该版本的事务还没有提交，仍然是活跃的。这时，该版本对当前事务不可见，因为它还处于未提交状态。
     • 不在 m_ids 列表中：表示生成该版本的事务已经提交，所以这个版本对当前事务可见。

3. 举例说明

假设当前有三个事务：

• 事务 A（trx_id = 10）：已提交。
• 事务 B（trx_id = 15）：未提交，仍在进行中。
• 事务 C（trx_id = 20）：未提交，仍在进行中。

假设当前有一个事务 D 正在运行，它的 trx_id 是 25。事务 D 创建了一个 Read View，假设在创建时系统的下一个事务 ID 为 30。

此时 Read View 的属性值为：

• min_trx_id = 15（未提交的事务中最小的 ID）。
• max_trx_id = 30（下一个将要分配的事务 ID）。
• m_ids = [15, 20]（未提交的事务列表）。

现在，事务 D 要读取某条记录，假设该记录的不同版本的 trx_id 分别是 10（旧版本）和 20（新版本），我们来看哪些版本对事务 D 可见：

• 版本 1（trx_id = 10）：
  • 10 < min_trx_id，这个版本的记录是在事务 D 的 Read View 创建之前已经提交的，因此对事务 D 可见。
• 版本 2（trx_id = 20）：
  • 20 在 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，而且 20 在 m_ids 列表中，这意味着这个版本是由仍然活跃的事务 C 创建的，且未提交。
  • 因此，这个版本的记录对事务 D 不可见。

4. MVCC 的优点

• 高并发性能：MVCC 允许读写操作并发进行，读操作不会阻塞写操作，写操作也不会阻塞读操作。
• 一致性读取：通过 Read View，MVCC 确保每个事务读取到的都是一致的数据快照，而不会受到其他事务未提交修改的影响。
• 无锁读：MVCC 实现了大多数情况下的无锁读操作，提高了数据库的整体性能。

5. MVCC 的局限性

• 空间开销：由于需要保留旧版本数据，因此 MVCC 会增加数据存储的空间开销。
• 垃圾数据清理：随着数据的不断更新和删除，版本链会变长，MySQL 需要定期清理不再需要的旧版本数据，这通常由后台线程完成。

6. 总结

MVCC 是 MySQL InnoDB 存储引擎用来处理并发事务的一种重要机制。通过版本链和 Read View 的机制，MVCC 能够高效地处理多个事务的并发读写操作，确保数据的一致性和系统的高性能。了解 MVCC 的工作原理，对于优化 MySQL 性能和解决并发问题至关重要。