值得收藏，揭秘 MySQL 多版本并发控制实现原理

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这是「架构精进之路」公众号的第73篇原创文章

 

MySQL 中多版本并发控制（MVCC），是现代数据库引擎实现中常用的处理读写冲突的手段，MVCC 作为 MySQL 高级应用特性，目的在于提高数据库高并发场景下的吞吐性能。

一、MVCC出现背景是什么？

事务的4个隔离级别以及对应的3种异常：
图片
  • 脏读：一个事务读取到了另外一个事务没有提交的数据；
  • 不可重复读：在同一事务中，两次读取同一数据，得到内容不同；
  • 幻读：同一事务中，用同样的操作读取两次，得到的记录数不相同。

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，但不能解决幻读问题。如果我们想要解决幻读问题，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降低数据库的事务并发能力。
而MVCC就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。
MySQL 并发事务会引起更新丢失问题，解决办法是锁，主要分两类：
  • 乐观锁：
    其实现如同它的名字一样，是假设比较好的情况。

    每次取数据的时候都认为他人不会对其修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。
  • 悲观锁：
    悲观锁也如同它的名字一样，总是假设比较坏的情况，每次取数据的时候都认为他人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。

二、什么是MVCC，它解决了什么问题？

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，简单来说它的思想就是保存数据的历史版本。
我们可以通过比较版本号决定数据是否显示出来（具体的规则后面会介绍到），读取数据的时候不需要加锁也可以保证事务的隔离效果。
通过 MVCC 我们可以解决以下几个问题：
（1）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。
（2）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。
（3）解决一致性读的问题。一致性读也被称为快照读，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。
解释一下可能难以理解的几个词汇：
  • 快照读：
    读取的是快照数据，不加锁的简单的SELECT都属于快照读（只是普通的读操作）。
  • 当前读：
    当前读就是读取最新数据，而不是历史版本的数据。

    加锁的SELECT，或者对数据进行增删改都会进行当前读（包括加锁的读取和DML操作）。

三、应用举例分析

为了更好地让大家理解MVCC，我们用一个示例场景来说明。
假设有个账户金额表 user_balance，包括三个字段，分别是 username 用户名、balance 余额和 bankcard 卡号，表数据如下所示：
图片
用户 A 和用户 B 之间进行转账，此时数据库管理员想要查询 user_balance 表中的总金额，两个场景存在并发情况，在没有MVCC的情况下，会出现哪些问题呢。
Case1：因为需要采用加行锁的方式，用户 A 给 B 转账时间等待很久，如下图所示。
图片
Case2：当我们读取的时候用了加行锁，可能会出现死锁的情况，如下图所示。
图片
比如当我们读到 A 有 1000 元的时候，此时 B 开始执行给 A 转账。

四、InnoDB如何实现MVCC？

当查询一条记录的时候，执行流程如下：
  1. 首先获取事务自己的版本号，也就是事务 ID；
  2. 获取 Read View；
  3. 查询得到的数据，然后与 Read View 中的事务版本号进行比较；
  4. 如果不符合 ReadView 规则，就需要从 Undo Log 中获取历史快照；
  5. 最后返回符合规则的数据。
相关概念
1. 事务版本号
一个自增长的事务ID，用于标记事务执行的先后顺序。
2. Read View
在 MVCC 机制中，多个事务对同一个行记录进行更新会产生多个历史快照，这些历史快照保存在 Undo Log 里。如果一个事务想要查询这个行记录，需要读取哪个版本的行记录呢？
这时就需要用到 Read View 了，它帮我们解决了行的可见性问题。Read View 保存了当前事务开启时所有活跃（还没有提交）的事务列表，换个角度，可以理解为 Read View 保存了不应该让这个事务看到的其他的事务 ID 列表。
Read VIew 中的几个重要属性：
图片
  • up_limit_id，活跃的事务中最小的事务 ID；
  • trx_ids，系统当前正在活跃的事务 ID 集合；
  • low_limit_id，活跃的事务中最大的事务 ID；
  • creator_trx_id，创建这个 Read View 的事务 ID。
3. 行记录的隐藏列
InnoDB 的叶子节点段存储了数据页，数据页中保存了行记录，在这些行记录中有一些重要的隐藏字段：
  • DB_ROW_ID ：

    6-byte，记录操作该数据事务的事务ID；

  • DB_TRX_ID ：

    6-byte，当创建表没有合适的索引作为聚集索引时，会用该隐藏ID创建聚集索引；

  • DB_ROLL_PTR ：

    7-byte，回滚指针，指向上一个版本数据在undo log 里的位置指针；

4. 聚集索引
聚集索引是指数据库表行中数据的物理顺序与键值的逻辑（索引）顺序相同。一个表只能有一个聚集索引，因为一个表的物理顺序只有一种情况，所以，对应的聚集索引只能有一个。
5. Undo Log
InnoDB 将行记录快照保存在 Undo Log，可以在回滚段中找到它们，主要用于记录数据被修改之前的日志，在对表信息做修改之前先会把数据拷贝到Undo Log里，当事务进行回滚时可以通过Undo Log里的日志进行数据还原。
回滚段中回滚指针间关联关系，如下图所示：
图片五、InnoDB是如何解决幻读的？
1、在读已提交的情况下，即使采用了 MVCC 方式也会出现幻读
图片
我们同时开启事务 A 和事务 B，先在事务 A 中进行某个条件范围的查询，读取的时候采用排它锁，在事务 B 中增加一条符合该条件范围的数据，并进行提交，然后我们在事务 A 中再次查询该条件范围的数据，就会发现结果集中多出一个符合条件的数据，这样就出现了幻读。
出现幻读的原因是在读已提交的情况下，InnoDB 只采用记录锁（Record Locking）。
InnoDB 三种行锁的方式：
  • 记录锁：

    针对单个行记录添加锁。

  • 间隙锁（Gap Locking）：

    可以锁住一个范围（索引之间的空隙），但不包括记录本身。

    采用间隙锁的方式可以防止幻读情况的产生。

  • Next-Key 锁：

    锁住一个范围，同时锁定记录本身，相当于间隙锁 + 记录锁，可以解决幻读的问题。

2、在可重复读的情况下，InnoDB 可以通过 Next-Key 锁 +MVCC 来解决幻读问题。
想插入球员艾利克斯·伦（身高 2.16 米）的时候，事务 B 会超时，无法插入该数据。
这是因为采用了 Next-Key 锁，会将 height>2.08 的范围都进行锁定，就无法插入符合这个范围的数据了。然后事务 A 重新进行条件范围的查询，就不会出现幻读的情况。图片

六、总结

MVCC 的核心就是 Undo Log+ Read View。

  • “MV”就是通过 Undo Log 来保存数据的历史版本，实现多版本的管理；

  • “CC”是通过 Read View 来实现管理，通过 Read View 原则来决定数据是否显示。

同时针对不同的隔离级别，Read View 的生成策略不同，也就实现了不同的隔离级别。

 

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