一文读懂MVCC：数据库中的并发读写利器！

news2024/11/16 19:45:47

大家好，我是你们的小米，一个积极活泼、喜好分享技术的小伙伴。今天，我想和大家聊一聊数据库领域的一个重要话题——MVCC多版本并发控制。MVCC是MySQL和其他一些数据库系统中常用的并发控制技术，通过它，我们可以在高并发读写的场景中提高数据库的性能。让我们一起来深入了解吧！

什么是MVCC

MVCC全称为Multi-Version Concurrency Control，中文翻译为多版本并发控制。它是一种用于数据库系统中处理并发读写操作的技术。MVCC通过为每个读写操作创建多个版本的数据来解决并发冲突，从而实现了读操作与写操作之间的并发执行，提高了数据库的并发性能。

什么是当前读

在MVCC中，当前读操作是指读取最新数据版本的操作。下面是一些常见的当前读语句：

SELECT ... FOR UPDATE：用于读取数据并获取写锁。
SELECT ... LOCK IN SHARE MODE：用于读取数据并获取读锁。

什么是快照读

快照读是指读取历史数据版本的操作，也可以称为非锁定读操作。下面是一些常见的快照读语句：

SELECT：普通的查询语句，用于读取数据。

当前读、快照读、MVCC之间的关系

当前读和快照读是MVCC中两种不同的读操作方式。当前读获取的是最新的数据版本，可以用于读写冲突的处理，而快照读获取的是历史的数据版本，用于读取一致性的数据视图。MVCC通过管理和维护这些不同版本的数据，实现了并发读写操作。

MVCC解决的问题

数据库并发场景有三种，分别是：

读读冲突：多个读操作之间不会产生冲突，可以并发执行。
读写冲突：读操作不会被写操作所阻塞，读操作可以读取到之前的数据版本，保证了读的一致性。
写写冲突：写操作之间不会产生冲突，可以并发执行。

MVCC是一种用来解决读写冲突的无所并发控制，也就是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，所以MVCC可以为数据库解决以下问题：

并发读写性能提升：在并发读写数据库时，MVCC可以做到在读操作时不用阻塞写操作，在写操作时不用阻塞读操作，提高了数据库并发读写的性能。
事务隔离：MVCC可以解决脏读、幻读、不可重复读等事务隔离的问题，但是不能解决更新丢失问题。

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、undolog、read view来实现的。

隐藏字段

MVCC通过在数据表中添加一些隐藏字段来实现多版本控制。这些隐藏字段包括：

DB_TRX_ID：用于标识事务的唯一ID。
DB_ROLL_PTR：指向undo log中的回滚段指针。
DB_ROW_ID：用于唯一标识一行数据。

undolog

undolog是MVCC实现中的一个重要组件，用于记录数据的修改历史。在MVCC中，insert操作和update/delete操作都会产生对应的undolog。

insert操作：在插入一行数据时，会生成一条insert类型的undolog，记录了插入数据的操作。
update和delete操作：在更新或删除一行数据时，会生成一条delete类型的undolog，记录了删除或修改之前的数据。

read view

read view是MVCC中用于管理数据版本的重要概念，它是一个逻辑数据视图。下面是一些关于read view的重要信息：

Read View的定义：Read view是一个事务开始时创建的数据视图，用于确定事务的隔离级别和可见性规则。
Read View的作用：Read view用于确定一个事务可以看到哪些数据版本，以及其他事务是否可以看到该事务修改的数据。

Read View中三个全局属性

在MVCC中，Read view具有三个全局属性，分别是trx_list、up_limit_id和low_limit_id。

trx_list：记录了当前活动的事务列表，其中每个事务包含一个事务ID和一个读视图。
up_limit_id：是一个全局的递增ID，用于判断事务的可见性。
low_limit_id：是一个全局的递增ID，用于判断事务的可见性。

Read View的可见性比较规则

基于上述三个全局属性，Read View的可见性比较规则如下：

如果DB_TRX_ID < up_limit_id，则当前事务能看到DB_TRX_ID 所在的记录，如果大于等于进入下一个判断；
如果 DB_TRX_ID ≥ up_limit_id，则代表 DB_TRX_ID 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；
判断 DB_TRX_ID 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。

MVCC的整体处理流程

假设有四个事务T1、T2、T3和T4，它们按顺序开始执行，并进行读写操作。MVCC的整体处理流程如下：

T1开始执行时，创建一个新的read view，并设置up_limit_id和low_limit_id为无穷大。
T1执行读操作，获取到数据库中的数据版本。
T1执行写操作，修改数据库中的数据，并生成对应的undolog。
T1提交事务，将up_limit_id设置为T1的事务ID。
T2开始执行时，创建一个新的read view，并设置up_limit_id为无穷大，low_limit_id为T1的事务ID。
T2执行读操作，根据read view获取到数据库中的数据版本。
T3开始执行时，创建一个新的read view，并设置up_limit_id为无穷大，low_limit_id为T1的事务ID。
T3执行写操作，修改数据库中的数据，并生成对应的undolog。
T4开始执行时，创建一个新的read view，并设置up_limit_id为无穷大，low_limit_id为T1的事务ID。
T4执行读操作，根据read view获取到数据库中的数据版本。

通过上述流程，MVCC保证了不同事务之间的并发读写操作，并根据每个事务的read view确定数据的可见性。

RC、RR级别下的InnoDB快照读区别

在InnoDB中，RC（Read Committed）和RR（Repeatable Read）是两种常见的隔离级别。在这两种隔离级别下，InnoDB的快照读有以下不同之处：

在RR级别下，每个事务的read view是在事务开始时创建的，并在整个事务期间保持不变。这意味着在RR级别下，事务可以看到之前读取的数据版本，即使其他事务已经修改了数据。
在RC级别下，每个语句都会创建一个新的read view，并在执行语句期间保持不变。这意味着在RC级别下，事务每次读取数据都会使用新的read view，而不会看到其他事务已经修改的数据。
RR级别下的快照读会导致更多的数据版本被保留在undo log中，因为每个事务的read view都需要保留。而在RC级别下，每个语句的read view只需要保留一次，因此占用的存储空间较少。
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会创建 Read View，之后的快照读获取的都是同一个 Read View。

总结

MVCC多版本并发控制是一种提高数据库并发性能的重要技术。通过使用当前读和快照读，MVCC能够解决读读、读写和写写冲突，并提高并发读写数据库的性能。它还能解决事务隔离的问题，但无法解决更新丢失问题。MVCC的实现原理涉及隐藏字段、undolog和read view等组件，通过管理这些组件，实现了并发读写操作。在不同的隔离级别下，快照读的行为也会有所不同。RR级别下的快照读可以看到之前读取的数据版本，而RC级别下的快照读每次读取都使用新的read view。