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一文解析MySQL的MVCC实现原理
来源:jb51  时间:2022/8/16 9:54:17  对本文有异议

1. 什么是MVCC

MVCC全称是Multi-Version Concurrency Control(多版本并发控制),是一种并发控制的方法,通过维护一个数据的多个版本,减少读写操作的冲突。

如果没有MVCC,想要实现同一条数据的并发读写,还要保证数据的安全性,就需要操作数据的时候加读锁和写锁,这样就降低了数据库的并发性能。

有了MVCC,就相当于把同一份数据生成了多个版本,在操作的开始各生成一个快照,读写操作互不影响。无需加锁,也实现数据的安全性和事务的隔离性。

事务的四大特性中隔离性就是基于MVCC实现的。

说MVCC的实现原理之前,先说一下事务的隔离级别。

2. 事务的隔离级别

说隔离级别之前,先说一下并发事务产生的问题

脏读: 一个事务读到其他事务未提交的数据。

不可重复读: 相同的查询条件,多次查询到的结果不一致,即读到其他事务提交后的数据。

幻读: 相同的查询条件,多次查询到的结果不一致,即读到其他事务提交后的数据。

不可重复读与幻读的区别是: 不可重复读是读到了其他事务执行update、delete后的数据,而幻读是读到其他事务执行insert后的数据。

再说一下事务的四大隔离级别:

Read UnCommitted(读未提交): 读到其他事务未提交的数据,会出现脏读、不可重复读、幻读。

Read Committed(读已提交): 读到其他事务已提交的数据,解决了脏读,会出现不可重复读、幻读。

Repeatable Read(可重复读): 相同的条件,多次读取到的结果一致。解决了脏读、不可重复读,会出现幻读。

Serializable(串行化): 所有事务串行执行,解决了脏读、不可重复读、幻读。

隔离级别脏读不可重复读幻读
读未提交
读已提交不会
可重复读不会不会
串行化不会不会不会

MVCC只在Read CommittedRepeatable Read两个隔离级别下起作用,因为Read UnCommitted隔离级别下,读写都不加锁,Serializable隔离级别下,读写都加锁,也就不需要MVCC了。

再谈一下Undo log日志。

3. Undo Log(回滚日志)

Undo Log记录的是逻辑日志,也就是SQL语句。

比如:当我们执行一条insert语句时,Undo Log就记录一条相反的delete语句。

作用:

  • 回滚事务时,恢复到修改前的数据。
  • 实现 MVCC 。

事务四大特性中原子性也是基于Undo Log实现的。

下面开始谈一下MVCC的实现原理。

4. MVCC的实现原理

4.1 当前读和快照读

先普及一下什么是当前读和快照读。

当前读: 读取数据的最新版本,并对数据进行加锁。

例如:insert、update、delete、select for update、 select lock in share mode。

快照读: 读取数据的历史版本,不对数据加锁。

例如:select

MVCC是基于Undo Log、隐藏字段、Read View(读视图)实现的。

4.2 隐藏字段

先说一下MySQL的隐藏字段,当我们创建一张表时,InnoDB引擎会增加2个隐藏字段。

DB_TRX_ID(最近一次提交事务的ID):修改表数据时,都会提交事务,每个事务都有一个唯一的ID,这个字段就记录了最近一次提交事务的ID。

DB_ROLL_PTR(上个版本的地址):修改表数据时,旧版本的数据都会被记录到Undo Log日志中,每个版本的数据都有一个版本地址,这个字段记录的就是上个版本的地址。

4.3 版本链

当我们第一次往用户表插入一条记录时,表数据和隐藏字段的值是下面这样的:

insert into user (name,age) values ('一灯',1);

事务ID(DB_TRX_ID)是1,上个版本地址(DB_ROLL_PTR)是null。

image-20220814230054004.png

 第二次提交事务,把用户年龄加1。

update user set age=age+1 where id=1;

事务ID变成2,上个版本地址指向Undo Log中的记录。

image-20220814230233034.png

第三次提交事务,再把用户年龄加1。

update user set age=age+1 where id=1;

事务ID变成3,上个版本地址指向Undo Log中事务ID为2的记录。

image-20220814230426413.png

这样表记录和Undo Log历史数据就组成了一个版本链。

4.4 Read View(读视图)

在事务中,执行SQL查询,就会生成一个读视图,是用来保证数据的可见性,即读到Undo Log中哪个版本的数据。

快照读一般是读取的历史版本的读视图,当前图会生成一个最新版本的读视图。

读视图是基于下面几个字段实现的:

m_ids :当前系统中活跃的事务ID集合,即未提交的事务。

min_trx_id :m_ids中最小的ID

max_trx_id :下一个要分配的事务ID

creator_trx_id: 当前事务ID

读视图决定当前事务能读到哪个版本的数据,从表记录到Undo Log历史数据的版本链,依次匹配,满足哪个版本的匹配规则,就能读到哪个版本的数据,一旦匹配成功就不再往下匹配。

数据可见性规则:

  • DB_TRX_ID = creator_trx_id 如果这个版本数据的事务ID等于当前事务ID,表示数据记录的最后一次操作的事务就是当前事务,当前读视图可以读到这个版本的数据。
  • DB_TRX_ID < min_trx_id 如果这个版本数据的事务ID小于所有活跃事务ID,表示这个版本的数据不再被事务使用,即事务已提交,当前读视图可以读到这个版本的数据。
  • DB_TRX_ID >= max_trx_id 如果这个版本数据的事务ID大于等于下一个要分配的事务ID,表示有新事务更新了这个版本的数据,这种情况下,当前读视图不可以读到这个版本的数据。
  • min_trx_id <= DB_TRX_ID < max_trx_id 如果这个版本数据的事务ID在当前系统中活跃的事务ID集合(m_ids)里面,表示这个版本的数据被其他事务更新过,当前读视图不可以读到这个版本的数据。 如果这个版本数据的事务ID不在当前系统中活跃的事务ID集合(m_ids)里面,表示是在其他事务提交后创建的读视图,当前读视图可以读到这个版本的数据。

5. 不同隔离级别下可见性分析

在不同的事务隔离级别下,生成读视图的规则不同:

  • READ COMMITTED(读已提交) :在事务中每一次执行快照读时都生成一个读视图,每个读视图中四个字段的值都是不同的。
  • REPEATABLE READ(可重复读):仅在事务中第一次执行快照读时生成读视图,后续复用这个读视图。

5.1 READ COMMITTED(读已提交)

设置MySQL隔离级别为读已提交:

SET session TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

image-20220815155838874.png

执行两个事务,验证一下:

image-20220815160030220.png

事务1第一次查询时,会生成一个读视图,读视图的各个属性如下:

属性
m_ids1,2
min_limit_id1
max_limit_id3
creator_trx_id1

可见的版本链数据是:

image-20220815160452959.png

符号规则 DB_TRX_ID = creator_trx_id = 1,可以看到当前版本的数据。

事务1第二次查询时,会生成一个新的读视图,读视图的各个属性如下:

属性
m_ids1
min_limit_id1
max_limit_id3
creator_trx_id1

可见的版本链数据是:

image-20220815174212106.png

符号规则 min_trx_id <= DB_TRX_ID < max_trx_id(1<=2<3),并且当前数据版本的事务ID不在当前系统中活跃的事务ID集合,可以看到当前版本的数据。

image-20220815192630458.png

同一个事务内,相同的查询条件,查询到的数据不一致,查到了其他事务更新过的数据,也就是出现了不可重复读的情况。

再看一下,在可重复读隔离级别下,是怎么解决这个问题的。

5.2 REPEATABLE READ(可重复读)

设置MySQL隔离级别为可重复读:

SET session TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

image-20220815192509582.png

执行两个事务,验证一下:

image-20220815160030220.png

事务1第一次查询时,会生成一个读视图,读视图的各个属性如下:

属性
m_ids1,2
min_limit_id1
max_limit_id3
creator_trx_id1

可见的版本链数据是:

image-20220815160452959.png

符号规则 DB_TRX_ID = creator_trx_id = 1,可以看到当前版本的数据。

事务1第二次查询时,会复用原有的读视图,读视图的各个属性如下:

属性
m_ids1,2
min_limit_id1
max_limit_id3
creator_trx_id1

可见的版本链数据是:

image-20220815174212106.png

符号规则 min_trx_id <= DB_TRX_ID < max_trx_id(1<=2<3),并且当前数据版本的事务ID在当前系统中活跃的事务ID集合,所以是不可以看到当前版本的数据。

image-20220815193850487.png

由此得知,可重复读隔离级别下,相同的查询条件,两次查询到的结果相同,也就是解决了可重复读的问题,是通过复用原有的读视图的方式解决的。

到此这篇关于一问解析MySQL的MVCC实现原理的文章就介绍到这了,更多相关MySQL MVCC实现内容请搜索w3xue以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持w3xue!

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