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揭秘MySQL多版本并发控制实现原理

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。

作者:架构精进之路来源:架构精进之路|2021-07-19 09:25

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:

  • 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:

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。

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。

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:

  • 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:

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

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。

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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