MySQL InnoDB MVCC 机制的原理及实现

多版本并发控制,是现代数据库引擎实现中常用的处理读写冲突的手段,目的在于提高数据库高并发场景下的吞吐性能。

Posted by ChenJY on June 22, 2019 | Viewed times

什么是 MVCC

MVCC (Multiversion Concurrency Control) 中文全程叫多版本并发控制,是现代数据库(包括 MySQLOraclePostgreSQL 等)引擎实现中常用的处理读写冲突的手段,目的在于提高数据库高并发场景下的吞吐性能

如此一来不同的事务在并发过程中,SELECT 操作可以不加锁而是通过 MVCC 机制读取指定的版本历史记录,并通过一些手段保证保证读取的记录值符合事务所处的隔离级别,从而解决并发场景下的读写冲突。

下面举一个多版本读的例子,例如两个事务 AB 按照如下顺序进行更新和读取操作

在事务 A 提交前后,事务 B 读取到的 x 的值是什么呢?答案是:事务 B 在不同的隔离级别下,读取到的值不一样。

  1. 如果事务 B 的隔离级别是读未提交(RU),那么两次读取均读取到 x 的最新值,即 20
  2. 如果事务 B 的隔离级别是读已提交(RC),那么第一次读取到旧值 10,第二次因为事务 A 已经提交,则读取到新值 20。
  3. 如果事务 B 的隔离级别是可重复读或者串行(RR,S),则两次均读到旧值 10,不论事务 A 是否已经提交。

可见在不同的隔离级别下,数据库通过 MVCC 和隔离级别,让事务之间并行操作遵循了某种规则,来保证单个事务内前后数据的一致性。

为什么需要 MVCC

InnoDB 相比 MyISAM 有两大特点,一是支持事务而是支持行级锁,事务的引入带来了一些新的挑战。相对于串行处理来说,并发事务处理能大大增加数据库资源的利用率,提高数据库系统的事务吞吐量,从而可以支持可以支持更多的用户。但并发事务处理也会带来一些问题,主要包括以下几种情况:

  1. 更新丢失(Lost Update):当两个或多个事务选择同一行,然后基于最初选定的值更新该行时,由于每个事务都不知道其他事务的存在,就会发生丢失更新问题 —— 最后的更新覆盖了其他事务所做的更新。如何避免这个问题呢,最好在一个事务对数据进行更改但还未提交时,其他事务不能访问修改同一个数据。

  2. 脏读(Dirty Reads):一个事务正在对一条记录做修改,在这个事务并提交前,这条记录的数据就处于不一致状态;这时,另一个事务也来读取同一条记录,如果不加控制,第二个事务读取了这些尚未提交的脏数据,并据此做进一步的处理,就会产生未提交的数据依赖关系。这种现象被形象地叫做 “脏读”

  3. 不可重复读(Non-Repeatable Reads):一个事务在读取某些数据已经发生了改变、或某些记录已经被删除了!这种现象叫做“不可重复读”。

  4. 幻读(Phantom Reads):一个事务按相同的查询条件重新读取以前检索过的数据,却发现其他事务插入了满足其查询条件的新数据,这种现象就称为 “幻读”

以上是并发事务过程中会存在的问题,解决更新丢失可以交给应用,但是后三者需要数据库提供事务间的隔离机制来解决。实现隔离机制的方法主要有两种:

  1. 加读写锁

  2. 一致性快照读,即 MVCC

但本质上,隔离级别是一种在并发性能和并发产生的副作用间的妥协,通常数据库均倾向于采用 Weak Isolation

InnoDB 中的 MVCC

本文聚焦于 MySQL 中的 MVCC 实现,从 《高性能 MySQL》一书中对 MVCC 的介绍可知:

  1. MySQLInnoDB 引擎支持 MVCC
  2. 应对高并发事务, MVCC 比单纯的加行锁更有效, 开销更小
  3. MVCC 在读已提交(Read Committed)和可重复读(Repeatable Read)隔离级别下起作用
  4. MVCC 既可以基于乐观锁又可以基于悲观锁来实现

InnoDB MVCC 实现原理

InnoDBMVCC 的实现方式为:每一行记录都有两个隐藏列:DATA_TRX_IDDATA_ROLL_PTR(如果没有主键,则还会多一个隐藏的主键列)。

DATA_TRX_ID

记录最近更新这条行记录的事务 ID,大小为 6 个字节

DATA_ROLL_PTR

表示指向该行回滚段(rollback segment)的指针,大小为 7 个字节,InnoDB 便是通过这个指针找到之前版本的数据。该行记录上所有旧版本,在 undo 中都通过链表的形式组织。

DB_ROW_ID

行标识(隐藏单调自增 ID),大小为 6 字节,如果表没有主键,InnoDB 会自动生成一个隐藏主键,因此会出现这个列。另外,每条记录的头信息(record header)里都有一个专门的 bitdeleted_flag)来表示当前记录是否已经被删除。

如何组织 Undo Log 链

关于 Redo Log 和 Undo Log 的相关概念可见之前的文章 InnoDB 中的 redo 和 undo log

上文提到,在多个事务并行操作某行数据的情况下,不同事务对该行数据的 UPDATE 会产生多个版本,然后通过回滚指针组织成一条 Undo Log 链,这节我们通过一个简单的例子来看一下 Undo Log 链是如何组织的,DATA_TRX_IDDATA_ROLL_PTR 两个参数在其中又起到什么样的作用。

还是以上文 MVCC 的例子,事务 A 对值 x 进行更新之后,该行即产生一个新版本和旧版本。假设之前插入该行的事务 ID100,事务 AID200,该行的隐藏主键为 1

事务 A 的操作过程为:

  1. DB_ROW_ID = 1 的这行记录加排他锁
  2. 把该行原本的值拷贝到 undo log 中,DB_TRX_IDDB_ROLL_PTR 都不动
  3. 修改该行的值这时产生一个新版本,更新 DATA_TRX_ID 为修改记录的事务 ID,将 DATA_ROLL_PTR 指向刚刚拷贝到 undo log 链中的旧版本记录,这样就能通过 DB_ROLL_PTR 找到这条记录的历史版本。如果对同一行记录执行连续的 UPDATEUndo Log 会组成一个链表,遍历这个链表可以看到这条记录的变迁
  4. 记录 redo log,包括 undo log 中的修改

那么 INSERTDELETE 会怎么做呢?其实相比 UPDATE 这二者很简单,INSERT 会产生一条新纪录,它的 DATA_TRX_ID 为当前插入记录的事务 IDDELETE 某条记录时可看成是一种特殊的 UPDATE,其实是软删,真正执行删除操作会在 commit 时,DATA_TRX_ID 则记录下删除该记录的事务 ID

如何实现一致性读 —— ReadView

RU 隔离级别下,直接读取版本的最新记录就 OK,对于 SERIALIZABLE 隔离级别,则是通过加锁互斥来访问数据,因此不需要 MVCC 的帮助。因此 MVCC 运行在 RCRR 这两个隔离级别下,当 InnoDB 隔离级别设置为二者其一时,在 SELECT 数据时就会用到版本链

核心问题是版本链中哪些版本对当前事务可见?

InnoDB 为了解决这个问题,设计了 ReadView(可读视图)的概念。

RR 下的 ReadView 生成

RR 隔离级别下,每个事务 touch first read 时(本质上就是执行第一个 SELECT 语句时,后续所有的 SELECT 都是复用这个 ReadView,其它 update, delete, insert 语句和一致性读 snapshot 的建立没有关系),会将当前系统中的所有的活跃事务拷贝到一个列表生成 ReadView

下图中事务 A 第一条 SELECT 语句在事务 B 更新数据前,因此生成的 ReadView 在事务 A 过程中不发生变化,即使事务 B 在事务 A 之前提交,但是事务 A 第二条查询语句依旧无法读到事务 B 的修改。

下图中,事务 A 的第一条 SELECT 语句在事务 B 的修改提交之后,因此可以读到事务 B 的修改。但是注意,如果事务 A 的第一条 SELECT 语句查询时,事务 B 还未提交,那么事务 A 也查不到事务 B 的修改。

RC 下的 ReadView 生成

RC 隔离级别下,每个 SELECT 语句开始时,都会重新将当前系统中的所有的活跃事务拷贝到一个列表生成 ReadView。二者的区别就在于生成 ReadView 的时间点不同,一个是事务之后第一个 SELECT 语句开始、一个是事务中每条 SELECT 语句开始。

ReadView 中是当前活跃的事务 ID 列表,称之为 m_ids,其中最小值为 up_limit_id,最大值为 low_limit_id,事务 ID 是事务开启时 InnoDB 分配的,其大小决定了事务开启的先后顺序,因此我们可以通过 ID 的大小关系来决定版本记录的可见性,具体判断流程如下:

  1. 如果被访问版本的 trx_id 小于 m_ids 中的最小值 up_limit_id,说明生成该版本的事务在 ReadView 生成前就已经提交了,所以该版本可以被当前事务访问。

  2. 如果被访问版本的 trx_id 大于 m_ids 列表中的最大值 low_limit_id,说明生成该版本的事务在生成 ReadView 后才生成,所以该版本不可以被当前事务访问。需要根据 Undo Log 链找到前一个版本,然后根据该版本的 DB_TRX_ID 重新判断可见性。

  3. 如果被访问版本的 trx_id 属性值在 m_ids 列表中最大值和最小值之间(包含),那就需要判断一下 trx_id 的值是不是在 m_ids 列表中。如果在,说明创建 ReadView 时生成该版本所属事务还是活跃的,因此该版本不可以被访问,需要查找 Undo Log 链得到上一个版本,然后根据该版本的 DB_TRX_ID 再从头计算一次可见性;如果不在,说明创建 ReadView 时生成该版本的事务已经被提交,该版本可以被访问。

  4. 此时经过一系列判断我们已经得到了这条记录相对 ReadView 来说的可见结果。此时,如果这条记录的 delete_flagtrue,说明这条记录已被删除,不返回。否则说明此记录可以安全返回给客户端。

举个例子

RC 下的 MVCC 判断流程

我们现在回看刚刚的查询过程,为什么事务 BRC 隔离级别下,两次查询的 x 值不同。RCReadView 是在语句粒度上生成的。

当事务 A 未提交时,事务 B 进行查询,假设事务 B 的事务 ID300,此时生成 ReadViewm_ids 为 [200,300],而最新版本的 trx_id200,处于 m_ids 中,则该版本记录不可被访问,查询版本链得到上一条记录的 trx_id 为 100,小于 m_ids 的最小值 200,因此可以被访问,此时事务 B 就查询到值 10 而非 20

待事务 A 提交之后,事务 B 进行查询,此时生成的 ReadViewm_ids 为 [300],而最新的版本记录中 trx_id200,小于 m_ids 的最小值 300,因此可以被访问到,此时事务 B 就查询到 20

RR 下的 MVCC 判断流程

如果在 RR 隔离级别下,为什么事务 B 前后两次均查询到 10 呢?RR 下生成 ReadView 是在事务开始时,m_ids 为 [200,300],后面不发生变化,因此即使事务 A 提交了,trx_id200 的记录依旧处于 m_ids 中,不能被访问,只能访问版本链中的记录 10

一个争论点

其实并非所有的情况都能套用 MVCC 读的判断流程,特别是针对在事务进行过程中,另一个事务已经提交修改的情况下,这时不论是 RC 还是 RR,直接套用 MVCC 判断都会有问题,例如 RC 下:

事务 Atrx_id = 200,事务 Btrx_id = 300,且事务 B 修改了数据之后在事务 A 之前提交,此时 RC 下事务 A 读到的数据为事务 B 修改后的值,这是很显然的。下面我们套用下 MVCC 的判断流程,考虑到事务 A 第二次 SELECT 时,m_ids 应该为 [200],此时该行数据最新的版本 DATA_TRX_ID = 300200 大,照理应该不能被访问,但实际上事务 A 选取了这条记录返回。

这里其实应该结合 RC 的本质来看,RC 的本质就是事务中每一条 SELECT 语句均可以看到其他已提交事务对数据的修改,那么只要该事物已经提交其结果就是可见的,与这两个事务开始的先后顺序无关,不完全适用于 MVCC 读

RR 级别下还是用之前那张图:

这张图的流程中,事务 Btrx_id = 300 比事务 A 200 小,且事务 B 先于事务 A 提交,按照 MVCC 的判断流程,事务 A 生成的 ReadView 为 [200],最新版本的行记录 DATA_TRX_ID = 300200 大,照理不能访问到,但是事务 A 实际上读到了事务 B 已经提交的修改。这里还是结合 RR 本质进行解释,RR 的本质是从第一个 SELECT 语句生成 ReadView 开始,任何已经提交过的事务的修改均可见。

总结

RCRR 两种隔离级别的事务在执行普通的读操作时,通过访问版本链的方法,使得事务间的读写操作得以并发执行,从而提升系统性能。RCRR 这两个隔离级别的一个很大不同就是生成 ReadView 的时间点不同,RC 在每一次 SELECT 语句前都会生成一个 ReadView,事务期间会更新,因此在其他事务提交前后所得到的 m_ids 列表可能发生变化,使得先前不可见的版本后续又突然可见了。而 RR 只在事务的第一个 SELECT 语句时生成一个 ReadView,事务操作期间不更新。

参考资料


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