揭秘MySQL多版本并發(fā)控制實(shí)現(xiàn)原理

作者：架構(gòu)精進(jìn)之路 2021-07-19 09:25:19

MySQL 中多版本并發(fā)控制（MVCC），是現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫引擎實(shí)現(xiàn)中常用的處理讀寫沖突的手段，MVCC 作為 MySQL 高級(jí)應(yīng)用特性，目的在于提高數(shù)據(jù)庫高并發(fā)場(chǎng)景下的吞吐性能。

一、MVCC出現(xiàn)背景是什么？

事務(wù)的4個(gè)隔離級(jí)別以及對(duì)應(yīng)的3種異常：

臟讀：一個(gè)事務(wù)讀取到了另外一個(gè)事務(wù)沒有提交的數(shù)據(jù)；
不可重復(fù)讀：在同一事務(wù)中，兩次讀取同一數(shù)據(jù)，得到內(nèi)容不同；
幻讀：同一事務(wù)中，用同樣的操作讀取兩次，得到的記錄數(shù)不相同。

在 MySQL 中，默認(rèn)的隔離級(jí)別是可重復(fù)讀，可以解決臟讀和不可重復(fù)讀的問題，但不能解決幻讀問題。如果我們想要解決幻讀問題，就需要采用串行化的方式，也就是將隔離級(jí)別提升到最高，但這樣一來就會(huì)大幅降低數(shù)據(jù)庫的事務(wù)并發(fā)能力。

而MVCC就是通過樂觀鎖的方式來解決不可重復(fù)讀和幻讀問題，它可以在大多數(shù)情況下替代行級(jí)鎖，降低系統(tǒng)的開銷。

MySQL 并發(fā)事務(wù)會(huì)引起更新丟失問題，解決辦法是鎖，主要分兩類：

樂觀鎖：

其實(shí)現(xiàn)如同它的名字一樣，是假設(shè)比較好的情況。

每次取數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為他人不會(huì)對(duì)其修改，所以不會(huì)上鎖，但是在更新的時(shí)候會(huì)判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個(gè)數(shù)據(jù)，可以使用版本號(hào)機(jī)制和CAS算法實(shí)現(xiàn)。
悲觀鎖：

悲觀鎖也如同它的名字一樣，總是假設(shè)比較壞的情況，每次取數(shù)據(jù)的時(shí)候都認(rèn)為他人會(huì)修改，所以每次在拿數(shù)據(jù)的時(shí)候都會(huì)上鎖，這樣別人想拿這個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)阻塞直到它拿到鎖（共享資源每次只給一個(gè)線程使用，其它線程阻塞，用完后再把資源轉(zhuǎn)讓給其它線程）。

二、什么是MVCC，它解決了什么問題？

MVCC 是通過數(shù)據(jù)行的多個(gè)版本管理來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制，簡(jiǎn)單來說它的思想就是保存數(shù)據(jù)的歷史版本。

我們可以通過比較版本號(hào)決定數(shù)據(jù)是否顯示出來（具體的規(guī)則后面會(huì)介紹到），讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候不需要加鎖也可以保證事務(wù)的隔離效果。

通過 MVCC 我們可以解決以下幾個(gè)問題：

（1）讀寫之間阻塞的問題，通過 MVCC 可以讓讀寫互相不阻塞，即讀不阻塞寫，寫不阻塞讀，這樣就可以提升事務(wù)并發(fā)處理能力。

（2）降低了死鎖的概率。這是因?yàn)?MVCC 采用了樂觀鎖的方式，讀取數(shù)據(jù)時(shí)并不需要加鎖，對(duì)于寫操作，也只鎖定必要的行。

（3）解決一致性讀的問題。一致性讀也被稱為快照讀，當(dāng)我們查詢數(shù)據(jù)庫在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的快照時(shí)，只能看到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之前事務(wù)提交更新的結(jié)果，而不能看到這個(gè)時(shí)間點(diǎn)之后事務(wù)提交的更新結(jié)果。

解釋一下可能難以理解的幾個(gè)詞匯：

快照讀：

讀取的是快照數(shù)據(jù)，不加鎖的簡(jiǎn)單的SELECT都屬于快照讀（只是普通的讀操作）。
當(dāng)前讀：

當(dāng)前讀就是讀取最新數(shù)據(jù)，而不是歷史版本的數(shù)據(jù)。

加鎖的SELECT，或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改都會(huì)進(jìn)行當(dāng)前讀（包括加鎖的讀取和DML操作）。

三、應(yīng)用舉例分析

為了更好地讓大家理解MVCC，我們用一個(gè)示例場(chǎng)景來說明。

假設(shè)有個(gè)賬戶金額表 user_balance，包括三個(gè)字段，分別是 username 用戶名、balance 余額和 bankcard 卡號(hào)，表數(shù)據(jù)如下所示：

用戶 A 和用戶 B 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)賬，此時(shí)數(shù)據(jù)庫管理員想要查詢 user_balance 表中的總金額，兩個(gè)場(chǎng)景存在并發(fā)情況，在沒有MVCC的情況下，會(huì)出現(xiàn)哪些問題呢。

Case1 ：因?yàn)樾枰捎眉有墟i的方式，用戶 A 給 B 轉(zhuǎn)賬時(shí)間等待很久，如下圖所示。

Case2 ：當(dāng)我們讀取的時(shí)候用了加行鎖，可能會(huì)出現(xiàn)死鎖的情況，如下圖所示。

比如當(dāng)我們讀到 A 有 1000 元的時(shí)候，此時(shí) B 開始執(zhí)行給 A 轉(zhuǎn)賬。

四、InnoDB如何實(shí)現(xiàn)MVCC？

當(dāng)查詢一條記錄的時(shí)候，執(zhí)行流程如下：

首先獲取事務(wù)自己的版本號(hào)，也就是事務(wù) ID；
獲取 Read View；
查詢得到的數(shù)據(jù)，然后與 Read View 中的事務(wù)版本號(hào)進(jìn)行比較；
如果不符合 ReadView 規(guī)則，就需要從 Undo Log 中獲取歷史快照；
最后返回符合規(guī)則的數(shù)據(jù)。

相關(guān)概念

1. 事務(wù)版本號(hào)

一個(gè)自增長(zhǎng)的事務(wù)ID，用于標(biāo)記事務(wù)執(zhí)行的先后順序。

2. Read View

在 MVCC 機(jī)制中，多個(gè)事務(wù)對(duì)同一個(gè)行記錄進(jìn)行更新會(huì)產(chǎn)生多個(gè)歷史快照，這些歷史快照保存在 Undo Log 里。如果一個(gè)事務(wù)想要查詢這個(gè)行記錄，需要讀取哪個(gè)版本的行記錄呢？

這時(shí)就需要用到 Read View 了，它幫我們解決了行的可見性問題。Read View 保存了當(dāng)前事務(wù)開啟時(shí)所有活躍（還沒有提交）的事務(wù)列表，換個(gè)角度，可以理解為 Read View 保存了不應(yīng)該讓這個(gè)事務(wù)看到的其他的事務(wù) ID 列表。

Read VIew 中的幾個(gè)重要屬性：

up_limit_id，活躍的事務(wù)中最小的事務(wù) ID；
trx_ids，系統(tǒng)當(dāng)前正在活躍的事務(wù) ID 集合；
low_limit_id，活躍的事務(wù)中最大的事務(wù) ID；
creator_trx_id，創(chuàng)建這個(gè) Read View 的事務(wù) ID。

3. 行記錄的隱藏列

InnoDB 的葉子節(jié)點(diǎn)段存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)頁，數(shù)據(jù)頁中保存了行記錄，在這些行記錄中有一些重要的隱藏字段：

DB_ROW_ID ：

6-byte，記錄操作該數(shù)據(jù)事務(wù)的事務(wù)ID；
DB_TRX_ID ：

6-byte，當(dāng)創(chuàng)建表沒有合適的索引作為聚集索引時(shí)，會(huì)用該隱藏ID創(chuàng)建聚集索引；
DB_ROLL_PTR ：

7-byte，回滾指針，指向上一個(gè)版本數(shù)據(jù)在undo log 里的位置指針；

4. 聚集索引

聚集索引是指數(shù)據(jù)庫表行中數(shù)據(jù)的物理順序與鍵值的邏輯（索引）順序相同。一個(gè)表只能有一個(gè)聚集索引，因?yàn)橐粋€(gè)表的物理順序只有一種情況，所以，對(duì)應(yīng)的聚集索引只能有一個(gè)。

5. Undo Log

InnoDB 將行記錄快照保存在 Undo Log，可以在回滾段中找到它們，主要用于記錄數(shù)據(jù)被修改之前的日志，在對(duì)表信息做修改之前先會(huì)把數(shù)據(jù)拷貝到Undo Log里，當(dāng)事務(wù)進(jìn)行回滾時(shí)可以通過Undo Log里的日志進(jìn)行數(shù)據(jù)還原。

回滾段中回滾指針間關(guān)聯(lián)關(guān)系，如下圖所示：

五、InnoDB是如何解決幻讀的？

1、在讀已提交的情況下，即使采用了 MVCC 方式也會(huì)出現(xiàn)幻讀

我們同時(shí)開啟事務(wù) A 和事務(wù) B，先在事務(wù) A 中進(jìn)行某個(gè)條件范圍的查詢，讀取的時(shí)候采用排它鎖，在事務(wù) B 中增加一條符合該條件范圍的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行提交，然后我們?cè)谑聞?wù) A 中再次查詢?cè)摋l件范圍的數(shù)據(jù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果集中多出一個(gè)符合條件的數(shù)據(jù)，這樣就出現(xiàn)了幻讀。

出現(xiàn)幻讀的原因是在讀已提交的情況下，InnoDB 只采用記錄鎖（Record Locking）。

InnoDB 三種行鎖的方式：