PgSQL · 特性分析 · MVCC机制浅析

2022-04-15 11:58:56

背景

我们在使用PostgreSQL的时候，可能会碰到表膨胀的问题（关于表膨胀可以参考之前的月报），即表的数据量并不大，但是占用的磁盘空间比较大，查询比较慢。为什么PostgreSQL有可能发生表膨胀呢？这是因为PostgreSQL引入了MVCC机制来保证事务的隔离性，实现数据库的隔离级别。

在数据库中，并发的数据库操作会面临脏读（Dirty Read）、不可重复读（Nonrepeatable Read）、幻读（Phantom Read）和串行化异常等问题，为了解决这些问题，在标准的SQL规范中对应定义了四种事务隔离级别：

  • RU(Read uncommitted)：读未提交
  • RC(Read committed)：读已提交
  • RR(Repeatable read)：重复读
  • SERIALIZABLE(Serializable)：串行化

当前PostgreSQL已经支持了这四种标准的事务隔离级别（可以使用SET TRANSACTION语句来设置，详见文档），下表是PostgreSQL官方文档上列举的四种事务隔离级别和对应数据库问题的关系：

Isolation Level Dirty Read Nonrepeatable Read Phantom Read Serialization Anomaly
Read uncommitted Allowed, but not in PG Possible Possible Possible
Read committed Not possible Possible Possible Possible
Repeatable read Not possible Not possible Allowed, but not in PG Possible
Serializable Not possible Not possible Not possible Not possible

需要注意的是，在PostgreSQL中：

  • RU隔离级别不允许脏读，实际上和Read committed一样
  • RR隔离级别不允许幻读

在PostgreSQL中，为了保证事务的隔离性，实现数据库的隔离级别，引入了MVCC(Multi-Version Concurrency Control)多版本并发控制。

MVCC常用实现方法

一般MVCC有2种实现方法：

  • 写新数据时，把旧数据转移到一个单独的地方，如回滚段中，其他人读数据时，从回滚段中把旧的数据读出来，如Oracle数据库和MySQL中的innodb引擎。
  • 写新数据时，旧数据不删除，而是把新数据插入。PostgreSQL就是使用的这种实现方法。

两种方法各有利弊，相对于第一种来说，PostgreSQL的MVCC实现方式优缺点如下：

  • 优点

    • 无论事务进行了多少操作，事务回滚可以立即完成
    • 数据可以进行很多更新，不必像Oracle和MySQL的Innodb引擎那样需要经常保证回滚段不会被用完，也不会像oracle数据库那样经常遇到“ORA-1555”错误的困扰

  • 缺点

    • 旧版本的数据需要清理。当然，PostgreSQL 9.x版本中已经增加了自动清理的辅助进程来定期清理
    • 旧版本的数据可能会导致查询需要扫描的数据块增多，从而导致查询变慢

PostgreSQL中MVCC的具体实现

为了实现MVCC机制，必须要：

  • 定义多版本的数据。在PostgreSQL中，使用元组头部信息的字段来标示元组的版本号
  • 定义数据的有效性、可见性、可更新性。在PostgreSQL中，通过当前的事务快照和对应元组的版本号来判断该元组的有效性、可见性、可更新性
  • 实现不同的数据库隔离级别

接下来，我们会按照上面的顺序，首先介绍多版本元组的存储结构，再介绍事务快照、数据可见性的判断以及数据库隔离级别的实现。

多版本元组存储结构

为了定义MVCC 中不同版本的数据，PostgreSQL在每个元组的头部信息HeapTupleHeaderData中引入了一些字段如下：

struct HeapTupleHeaderData
{
    union
    {
        HeapTupleFields t_heap;
        DatumTupleFields t_datum;
    }            t_choice;

    ItemPointerData t_ctid;        /* current TID of this or newer tuple (or a
                                 * speculative insertion token) */

    /* Fields below here must match MinimalTupleData! */

    uint16        t_infomask2;    /* number of attributes + various flags */

    uint16        t_infomask;        /* various flag bits, see below */

    uint8        t_hoff;            /* sizeof header incl. bitmap, padding */

    /* ^ - 23 bytes - ^ */

    bits8        t_bits[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER];    /* bitmap of NULLs */

    /* MORE DATA FOLLOWS AT END OF STRUCT */
};

其中：

  • t_heap存储该元组的一些描述信息，下面会具体去分析其字段

  • t_ctid存储用来记录当前元组或新元组的物理位置

    • 由块号和块内偏移组成
    • 如果这个元组被更新，则该字段指向更新后的新元组
    • 这个字段指向自己，且后面t_heap中的xmax字段为空，就说明该元组为最新版本

  • t_infomask存储元组的xmin和xmax事务状态，以下是t_infomask每位分别代表的含义：

    #define HEAP_HASNULL        0x0001    /* has null attribute(s) */
#define HEAP_HASVARWIDTH        0x0002    /* has variable-width attribute(s) 有可变参数 */
#define HEAP_HASEXTERNAL        0x0004    /* has external stored attribute(s) */
#define HEAP_HASOID        0x0008    /* has an object-id field */
#define HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK    0x0010    /* xmax is a key-shared locker */
#define HEAP_COMBOCID        0x0020    /* t_cid is a combo cid */
#define HEAP_XMAX_EXCL_LOCK    0x0040    /* xmax is exclusive locker */
#define HEAP_XMAX_LOCK_ONLY    0x0080    /* xmax, if valid, is only a locker */
/* xmax is a shared locker */
#define HEAP_XMAX_SHR_LOCK  (HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)
#define HEAP_LOCK_MASK    (HEAP_XMAX_SHR_LOCK | HEAP_XMAX_EXCL_LOCK | \
                     HEAP_XMAX_KEYSHR_LOCK)
#define HEAP_XMIN_COMMITTED    0x0100    /* t_xmin committed 即xmin已经提交*/
#define HEAP_XMIN_INVALID        0x0200    /* t_xmin invalid/aborted */
#define HEAP_XMIN_FROZEN        (HEAP_XMIN_COMMITTED|HEAP_XMIN_INVALID)
#define HEAP_XMAX_COMMITTED    0x0400    /* t_xmax committed即xmax已经提交*/
#define HEAP_XMAX_INVALID        0x0800    /* t_xmax invalid/aborted */
#define HEAP_XMAX_IS_MULTI        0x1000    /* t_xmax is a MultiXactId */
#define HEAP_UPDATED        0x2000    /* this is UPDATEd version of row */
#define HEAP_MOVED_OFF        0x4000    /* moved to another place by pre-9.0                    * VACUUM FULL; kept for binary                     * upgrade support */
#define HEAP_MOVED_IN        0x8000    /* moved from another place by pre-9.0                * VACUUM FULL; kept for binary                  * upgrade support */
#define HEAP_MOVED (HEAP_MOVED_OFF | HEAP_MOVED_IN)
#define HEAP_XACT_MASK        0xFFF0    /* visibility-related bits */

上文HeapTupleHeaderData中的t_heap存储着元组的一些描述信息，结构如下：

typedef struct HeapTupleFields
{
TransactionId t_xmin;   /* inserting xact ID */
TransactionId t_xmax;   /* deleting or locking xact ID */

union
{
   CommandId t_cid;   /* inserting or deleting command ID, or both */
   TransactionId t_xvac; /* VACUUM FULL xact ID */
}    t_field3;
} HeapTupleFields;

其中:

  • t_xmin 存储的是产生这个元组的事务ID，可能是insert或者update语句
  • t_xmax 存储的是删除或者锁定这个元组的事务ID
  • t_cid 包含cmin和cmax两个字段，分别存储创建这个元组的Command ID和删除这个元组的Command ID
  • t_xvac 存储的是VACUUM FULL 命令的事务ID

这里需要简单介绍下PostgreSQL中的事务ID：

  • 由32位组成，这就有可能造成事务ID回卷的问题，具体参考文档
  • 顺序产生，依次递增
  • 没有数据变更，如INSERT、UPDATE、DELETE等操作，在当前会话中，事务ID不会改变

PostgreSQL主要就是通过t_xmin，t_xmax，cmin和cmax，ctid，t_infomask来唯一定义一个元组（t_xmin，t_xmax，cmin和cmax，ctid实际上也是一个表的隐藏的标记字段），下面以一个例子来表示元组更新前后各个字段的变化。

  • 创建表test，插入数据，并查询t_xmin，t_xmax，cmin和cmax，ctid属性
postgres=# create table test(id int);
CREATE TABLE
postgres=# insert into test values(1);
INSERT 0 1
postgres=# select ctid, xmin, xmax, cmin, cmax,id from test;
 ctid  | xmin | xmax | cmin | cmax | id
-------+------+------+------+------+----
 (0,1) | 1834 |    0 |    0 |    0 |  1
(1 row)
  • 更新test，并查询t_xmin，t_xmax，cmin和cmax，ctid属性
postgres=# update test set id=2;
UPDATE 1
postgres=# select ctid, xmin, xmax, cmin, cmax,id from test;
 ctid  | xmin | xmax | cmin | cmax | id
-------+------+------+------+------+----
 (0,2) | 1835 |    0 |    0 |    0 |  2
(1 row)
  • 使用heap_page_items 方法查看test表对应page header中的内容
postgres=# select * from heap_page_items(get_raw_page('test',0));
 lp | lp_off | lp_flags | lp_len | t_xmin | t_xmax | t_field3 | t_ctid | t_infomask2 | t_infomask | t_hoff | t_bits | t_oid
----+--------+----------+--------+--------+--------+----------+--------+-------------+------------+--------+--------+-------
  1 |   8160 |        1 |     28 |   1834 |   1835 |        0 | (0,2)  |       16385 |       1280 |     24 |        |
  2 |   8128 |        1 |     28 |   1835 |      0 |        0 | (0,2)  |       32769 |      10496 |     24 |        |

从上面可知，实际上数据库存储了更新前后的两个元组，这个过程中的数据块中的变化大体如下：
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Tuple1更新后会插入一个新的Tuple2，而Tuple1中的ctid指向了新的版本，同时Tuple1的xmax从0变为1835，这里可以被认为被标记为过期（只有xmax为0的元组才没过期），等待PostgreSQL的自动清理辅助进程回收掉。

也就是说，PostgreSQL通过HeapTupleHeaderData 的几个特殊的字段，给元组设置了不同的版本号，元组的每次更新操作都会产生一条新版本的元组，版本之间从旧到新形成了一条版本链（旧的ctid指向新的元组）。

不过这里需要注意的是，更新操作可能会使表的每个索引也产生新版本的索引记录，即对一条元组的每个版本都有对应版本的索引记录。这样带来的问题就是浪费了存储空间，旧版本占用的空间只有在进行VACCUM时才能被回收，增加了数据库的负担。

为了减缓更新索引带来的影响，8.3之后开始使用HOT机制。定义符合下面条件的为HOT元组：

  • 索引属性没有被修改
  • 更新的元组新旧版本在同一个page中，其中新的被称为HOT元组

更新一条HOT元组不需要引入新版本的索引，当通过索引获取元组时首先会找到最旧的元组，然后通过元组的版本链找到HOT元组。这样HOT机制让拥有相同索引键值的不同版本元组共用一个索引记录，减少了索引的不必要更新。

事务快照的实现

为了控制元组对事务的可见性，PostgreSQL引入了事务快照SnapshotData，其具体数据结构如下：

typedef struct SnapshotData
{
    SnapshotSatisfiesFunc satisfies;    /* tuple test function */
    TransactionId xmin;        /* all XID < xmin are visible to me */
    TransactionId xmax;        /* all XID >= xmax are invisible to me */
    TransactionId *xip;    //所有正在运行的事务的id列表
    uint32    xcnt;    /* # of xact ids in xip[]，正在运行的事务的计数 */
    TransactionId *subxip;           //进程中子事务的ID列表
    int32    subxcnt;        /* # of xact ids in subxip[]，进程中子事务的计数 */
    bool    suboverflowed;    /* has the subxip array overflowed? */
    bool    takenDuringRecovery;    /* recovery-shaped snapshot? */
    bool    copied;            /* false if it's a static snapshot */
    CommandId    curcid;    /* in my xact, CID < curcid are visible */
    uint32    speculativeToken;
    uint32    active_count;    /* refcount on ActiveSnapshot stack，在活动快照链表里的
*引用计数 */
    uint32    regd_count;    /* refcount on RegisteredSnapshots，在已注册的快照链表
*里的引用计数 */
    pairingheap_node ph_node;    /* link in the RegisteredSnapshots heap */
    TimestampTz  whenTaken;    /* timestamp when snapshot was taken */
    XLogRecPtr   lsn;        /* position in the WAL stream when taken */
} SnapshotData;

这里注意区分SnapshotData的xmin，xmax和HeapTupleFields的t_xmin，t_xmax

事务快照是用来存储数据库的事务运行情况。一个事务快照的创建过程可以概括为：

  • 查看当前所有的未提交并活跃的事务，存储在数组中
  • 选取未提交并活跃的事务中最小的XID，记录在快照的xmin中
  • 选取所有已提交事务中最大的XID，加1后记录在xmax中
  • 根据不同的情况，赋值不同的satisfies，创建不同的事务快照

其中根据xmin和xmax的定义，事务和快照的可见性可以概括为：

  • 当事务ID小于xmin的事务表示已经被提交，其涉及的修改对当前快照可见
  • 事务ID大于或等于xmax的事务表示正在执行，其所做的修改对当前快照不可见
  • 事务ID处在 [xmin, xmax)区间的事务, 需要结合活跃事务列表与事务提交日志CLOG，判断其所作的修改对当前快照是否可见，即SnapshotData中的satisfies。

satisfies是PostgreSQL提供的对于事务可见性判断的统一操作接口。目前在PostgreSQL 10.0中具体实现了以下几个函数：

  • HeapTupleSatisfiesMVCC：判断元组对某一快照版本是否有效
  • HeapTupleSatisfiesUpdate：判断元组是否可更新
  • HeapTupleSatisfiesDirty：判断当前元组是否已脏
  • HeapTupleSatisfiesSelf：判断tuple对自身信息是否有效
  • HeapTupleSatisfiesToast：用于TOAST表（参考文档）的判断
  • HeapTupleSatisfiesVacuum：用在VACUUM，判断某个元组是否对任何正在运行的事务可见，如果是，则该元组不能被VACUUM删除
  • HeapTupleSatisfiesAny：所有元组都可见
  • HeapTupleSatisfiesHistoricMVCC：用于CATALOG 表

上述几个函数的参数都是 (HeapTuple htup, Snapshot snapshot, Buffer buffer)，其具体逻辑和判断条件，本文不展开具体讨论，有兴趣的可以参考《PostgreSQL数据库内核分析》的7.10.2 MVCC相关操作。

此外，为了对可用性判断的过程进行加速，PostgreSQL还引入了Visibility Map机制（详见文档）。Visibility Map标记了哪些page中是没有dead tuple的。这有两个好处：

  • 当vacuum时，可以直接跳过这些page
  • 进行index-only scan时，可以先检查下Visibility Map。这样减少fetch tuple时的可见性判断，从而减少IO操作，提高性能

另外visibility map相对整个relation，还是小很多，可以cache到内存中。

隔离级别的实现

PostgreSQL中根据获取快照时机的不同实现了不同的数据库隔离级别（对应代码中函数GetTransactionSnapshot）：

  • 读未提交/读已提交：每个query都会获取最新的快照CurrentSnapshotData
  • 重复读：所有的query 获取相同的快照都为第1个query获取的快照FirstXactSnapshot
  • 串行化：使用锁系统来实现

总结

为了保证事务的原子性和隔离性，实现不同的隔离级别，PostgreSQL引入了MVCC多版本机制，概括起就是：

  • 通过元组的头部信息中的xmin，xmax以及t_infomask等信息来定义元组的版本
  • 通过事务提交日志来判断当前数据库各个事务的运行状态
  • 通过事务快照来记录当前数据库的事务总体状态
  • 根据用户设置的隔离级别来判断获取事务快照的时间

如上文所讲，PostgreSQL的MVCC实现方法有利有弊。其中最直接的问题就是导致表膨胀，为了解决这个问题引入了AutoVacuum自动清理辅助进程，将MVCC带来的垃圾数据定期清理，这部分内容我们将在下期月报进行分析，敬请期待。

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