MySQL MVCC原理深入探索

2022-12-14 08:14:42

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一、MVCC的由来

我们知道：事务是具备ACID特性的。但是对于【I】隔离性而言，可以根据不同的场景，权衡使用不同的隔离级别。在MySQL中实现了SQL标准中的四大隔离级别,同时对应了可能会出现的不同问题：

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
READ UNCOMMITTED（读未提交）	可能	可能	可能
READ COMMITTED（读已提交）	不可能	可能	可能
REPEATABLE READ(可重复读)	不可能	不可能	*可能
SERIALIZABLE(可串行化)	不可能	不可能	不可能

其中，需要特别注意的一点是：也是与SQL标准规定不一样的一个地方，MySQL中RR可重复读的隔离级别下，是基本上不会出现幻读问题(这个地方会出现一些特殊的场景，后面会介绍)。

访问MySQL数据一般就是增删改查操作，对应的是insert、delete、update和select语句。

对于insert、delete、update这三种类型的语句而言，需要先定位到最新的数据；对于select语句，也有select … lock in share mode（MySQL8.0中增加了SELECT … FOR SHARE）/select… for update的操作，同样需要读取最新的数据，同时必须堵塞其他并发事务修改当前记录，所以需要进行加锁。这些操作在MySQL中统一被称为——锁定读（Locking Reads），又称为当前读。

而对于普通的select语句，MySQL则根据不同的隔离级别，进行不同的处理：

READ UNCOMMITTED（读未提交）：读取最新的记录
READ COMMITTED（读已提交）：读取最新提交事务的记录
REPEATABLE READ(可重复读)：读取当前事务在开始前的记录或者被自己事务修改的记录
SERIALIZABLE(可串行化)：读取最新的记录，同时也加上读锁，就是select … lock in share mode

可以看到，对于READ COMMITTED（读已提交）和 REPEATABLE READ(可重复读)这两种隔离级别来说，普通的select是不需要加锁的，并且受到事务发生时机的影响。可以利用事务保存的历史版本数据，控制版本访问权限，这种方案就称之为——MVCC(Multi-Version Concurrency Control)，而MVCC下的select查询，被称为——非锁定读（Consistent Nonlocking Reads），又称为快照读。

生成的快照就被称之为ReadView（一致性视图）

利用MVCC提供的快照读能力，可以实现在不加锁的情况下，解决读写冲突时的堵塞问题，极大提升并发查询性能，同时也保证了事务的隔离性。这是对于并发性能和一致性之间做的一次trade-off。

二、MVCC的实际应用

前面提到，MVCC是在RC和RR隔离级别下使用历史版本数据实现事务隔离性的，下面我们来看下具体的案例分析。

首先先创建表 t1:

CREATE TABLE `t1` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `c` int(11) DEFAULT NULL,
  `d` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `c` (`c`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

#插入一条数据
INSERT INTO `t1` (`id`, `c`, `d`) VALUES ('5', '5', '5');

RR级别场景

事务隔离级别为RR:

SELECT @@tx_isolation
REPEATABLE-READ

1.当事务1执行语句：start transaction with consistent snapshot;会创建一个ReadView，最后进行查询id=5的时候，仍然会读取到快照时的数据，也就是(5,5,5)这条数据

2.事务2同样使用start transaction with consistent snapshot开启了一个ReadView，但是由于事务中使用了update语句更新了这条数据，所以最后事务2查询id=5的数据时，结果是（5,2,5）

RC级别场景

事务隔离级别为RC:

 set session transaction isolation level read committed;

SELECT @@tx_isolation
READ-COMMITTED

同样是对于这个案例:

对于事务2，查询id=5的结果不变，还是（5,2,5）
对于事务1，由于隔离级别是 READ COMMITTED，可以查询到其他事务已提交的记录，也就是说ReadView是在查询语句开始时才生成的，不是事务开始前，所以查询id=5的结果也是（5,2,5）

小结一下：

RR级别下，MVCC的一致性视图（快照）是只在事务开始（第一次查询语句）时生成；

RC级别下，MVCC的一致性视图（快照）是在每次查询语句前时生成；

三、MVCC的实现

3.1 多版本的数据从哪里来——Undo Log

An undo log is a collection of undo log records associated with a single read-write transaction. An undo log record contains information about how to undo the latest change by a transaction to a clustered index record. If another transaction needs to see the original data as part of a consistent read operation, the unmodified data is retrieved from undo log records.
undo log是与单个读写事务相关联的撤消日志记录的集合。undo log记录可以明确如何撤消事务对聚集索引记录的最新更改。如果另一个事务需要通过一致性读取操作查看原始数据，可以从undo log记录中查询未修改前的数据。

也就是说，undo log是为了记录如何回滚事务而生成的。数据每进行一次增删改，就会对应一条或多条undo log。 innoDB中使用不同的undo log类型对insert、delete和update进行区分。

3.1.1 插入操作对应的undo log

TRX_UNDO_INSERT_REC:是插入操作对应的undo log类型，因为插入操作对应的撤销逻辑是删除，所以只需要把这条记录的主键id记录下来。

3.1.2 删除操作对应的undo log

由于MVCC的存在，被删除的记录并不会被真正的删除，而是进行delete mark操作——只是将行记录上的删除标记位delete_flag改为1,后面在通过purge操作把记录加入垃圾链表中，待后续进行空间复用。生成删除语句对应的undo log类型为TRX_UNDO_DELETE_MARK_REC，相比于TRX_UNDO_INSERT_REC，TRX_UNDO_DELETE_MARK_REC不仅保存了主键id，也保存了相关的索引列信息，用来对删除过程中一些中间状态的清理。

3.1.3 更新操作对应的undo log

更新操作对应的undo log除了会记录主键和索引列信息之外，还会把被更新前各个字段的信息记录下来，还有指向旧记录的DB_ROLL_PTR和DB_TRX_ID。

不更新主键，且被更新的列存储空间不发生变化：直接在原有行记录上面更新。

不更新主键，且被更新的列存储空间发生了变化：先删除旧记录（不是delete mark，而是直接删除），再插入新记录。

更新主键：旧记录进行delete mark，再插入新记录。

过程中更新了二级索引：对旧的二级索引进行delete mark，插入新的二级索引记录。

通过以上3种不同操作对应的undo log，可以得到事务开始前的的历史记录。那么这些记录是如何关联起来的呢？

3.2 旧版本如何关联——行记录隐藏字段和版本链

对于InnoDB引擎的表，聚簇索引记录中包含了两个必要的隐藏字段：

DB_TRX_ID:一个事务每次对某条聚簇索引记录进行改动（插入、更新或删除）时，会把该事务id赋值给该字段

DB_ROLL_PTR：每次对某条聚簇索引记录进行改动时，会把旧版本写入undo日志中，DB_ROLL_PTR就是指向这条记录上一个版本的指针。

还是对于表 t1:

CREATE TABLE `t1` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `c` int(11) DEFAULT NULL,
  `d` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `c` (`c`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

1.插入一条数据

INSERT INTO `t1` (`id`, `c`, `d`) VALUES ('5', '5', '5');

此时版本只有一个：

2.执行了3次变更sql后：

update t1 set c=4 where id=5;
update t1 set c=3 where id=5;
update t1 set c=3 where id=5;

对应的undo版本链就变成：

结合前面的undo log来看，每次进行记录变更的时候，都会把旧值放到一条undo log里面，同时利用DB_ROLL_PTR把多个版本的undo log组成一个版本链，并保持每个版本对应的事务id。
那么如何判断版本链中哪个才是当前事务可见的正确版本呢？

3.3 如何正确访问不同版本数据——Read View访问规则

3.3.1 Read View

Read View就是事务进行快照读操作的时候生成的，是一个逻辑层面的概念。
Read View主要包含以下几部分内容：

m_ids: 表示生成Read View时，系统中正在活跃的事务id列表。

up_limit_id:表示生成Read View时，系统中正在活跃的最小事务id，也就是m_ids中的最小值。

low_limit_id:表示生成Read View时，系统还未分配的下一个事务 ID ，也就是目前已出现过的事务 ID 的最大值 + 1。

creator_trx_id:生成Read View的事务id

判断逻辑如下：

若版本数据的DB_TRX_ID属性值和creator_trx_id相同，代表是本事务修改的记录，可以访问。
若版本数据的DB_TRX_ID属性值小于up_limit_id，代表是在生成Read View前就已经提交的事务，可以访问。
若版本数据的DB_TRX_ID属性值大于low_limit_id，代表是在生成Read View之后才开启的事务，不可以访问。
若版本数据的DB_TRX_ID属性值在up_limit_id和low_limit_id之间，需要再判断DB_TRX_ID是否在m_ids里面，如果在，则代表是在生成Read View时，该版本数据所在的事务还未提交，不可以访问；如果不在，则代表是在生成Read View时，该版本数据所在的事务已经提交，可以访问。

3.3.2 覆盖索引下的MVCC

由于DB_TRX_ID和DB_ROLL_PTR都是在聚簇索引记录中的，当事务中使用覆盖索引进行查询时，如何能确认正确的数据版本呢？

二级索引页上有一个PAGE_MAX_TRX_ID的属性，记录该页面变更时的最大事务id，如果PAGE_MAX_TRX_ID的值是在Read View创建前提交的，那么该页的全部索引都可见；如果不是，则需要根据二级索引的主键进行回表，进行再次判断。

小结一下：

对于一个 Read View 来说，除了自己的更新总是可见以外，有三种情况：

事务未提交的记录版本，不可见；

事务已提交的记录版本，但是是在Read View创建后提交的，不可见；

版本已提交，而且是在Read View创建前提交的，可见。

再结合前文提到的：

RR级别下，MVCC的一致性视图（快照）是只在事务开始（第一次查询语句）时生成；

RC级别下，MVCC的一致性视图（快照）是在每次查询语句前时生成；

就能找到正确的版本数据，实现RR和RC事务隔离级别的快照读机制。

四、扩展一——MVCC的多版本是否影响性能

因为MVCC是通过回溯undo log的方式，将符合访问条件的历史版本查询出来，而undo log文件是保存在磁盘中，是否会影响查询性能？

由于undo log是为了回滚未成功提交的事务和MVCC存在的，如果事务成功提交，以及当系统里最早的Read View不再访问它们的时候，就会使用purge操作进行清除，所以undo log的生存周期一般来说不会太长，但是使用时，我们仍需要避免使用长事务。

五、扩展二——RR级别能否完全避免幻读问题

回到最开始提到的：MySQL中RR可重复读的隔离级别下，是基本上不会出现幻读问题。但是是否可以完全解决幻读问题呢？

在RR可重复读级别下, InnoDB使用了MVCC解决【快照读】场景下的幻读问题，而在【当前读】场景下，是使用gap lock间隙锁的方式解决幻读问题。

下面还是使用表 t1 模拟一个案例，在RR级别下开启两个事务会话：

CREATE TABLE `t1` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `c` int(11) DEFAULT NULL,
  `d` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `c` (`c`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

INSERT INTO `codemavs`.`t1` (`id`, `c`, `d`) VALUES ('0', '0', '0');
INSERT INTO `codemavs`.`t1` (`id`, `c`, `d`) VALUES ('1', '1', '1');
INSERT INTO `codemavs`.`t1` (`id`, `c`, `d`) VALUES ('5', '5', '5');

1、事务1【1.1】开启了快照读后，查询结果是（1,1,1）和（5,5,5）；
2、事务2把了id=0的记录中c的字段更新为5；
3、事务1【1.2】中使用了select…for update的当前读，此时返回的结果不再是（1,1,1）和（5,5,5），而是（0,5,0）,（1,1,1）和（5,5,5）,中间多出了（0,5,0）这条记录。

这是一种特殊的场景：在同一个事务中，先使用了快照读，再使用当前读，两次的结果可能出现不一致。

可知RR级别下先使用非锁定读，再使用锁定读时，可能会出现幻读问题，这在MySQL中是允许出现的。

总结

MVCC是RC和RR隔离级别下利用【快照读】提升了读写并发的整体性能，主要通过Undo Log、版本链和Read View访问规则来实现。

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