MVCC及其原理 - 技术栈

1. MVCC概述及其原理

多版本并发控制（MVCC，Multi-Version Concurrency Control）是一种数据库管理技术，用于提高数据库系统在多用户环境中的并发性能，同时保证事务的隔离性，避免了不必要的锁定。MVCC允许在不同的事务中读取数据的早期版本，从而使读操作不会阻塞写操作，反之亦然。这种机制在很多数据库系统中都有实现，包括PostgreSQL和MySQL的InnoDB存储引擎。

MVCC原理

MVCC的核心思想是为数据库中的每一行数据保持不同版本的记录。这意味着当用户对数据库进行写操作（如更新或删除）时，系统会创建一行数据的新版本，而不是直接在原有数据上修改。每个版本的数据都有一个时间戳（或其他形式的版本标识），标识它被创建或修改的时间点。

当一个事务请求读取数据时，MVCC系统会返回该事务开始时刻可见的数据版本。具体来说，系统会根据以下规则来确定哪个版本的数据对当前事务是"可见"的：

创建版本号：每个数据版本在创建时都会被赋予一个唯一的版本号，这通常是事务的ID。这个版本号标识了数据被创建或修改的逻辑时间点。
删除版本号：当数据被另一个事务更新或删除时，原有版本的数据会被赋予一个删除版本号，也是事务的ID。这个版本号标识了数据停止被可见的逻辑时间点。
版本可见性规则：给定一个事务，如果某个数据版本的创建版本号小于或等于该事务的ID，且该数据版本没有被删除（即没有删除版本号）或其删除版本号大于该事务的ID，那么这个数据版本对该事务是可见的。

MVCC的优势

提高并发性：读操作不会阻塞写操作，写操作也不会阻塞读操作，这大大提高了数据库的并发性能。
减少锁的需求：由于读操作可以访问数据的早期版本，因此减少了对读写锁的需求，进一步提高并发性。
事务隔离级别的支持：MVCC可以非常灵活地支持不同的事务隔离级别，包括读未提交（Read Uncommitted）、读已提交（Read Committed）、可重复读（Repeatable Read）和串行化（Serializable）。

MVCC的实现

不同的数据库系统实现MVCC的具体机制可能有所不同，但基本原理相似。以MySQL的InnoDB存储引擎为例，它使用以下机制来实现MVCC：

Undo日志：当数据被修改时，原始数据会被存储在Undo日志中。这允许系统在需要时构造出数据的早期版本。
Read View：当事务开始时，InnoDB会为该事务创建一个"读视图"，决定哪些版本的数据对该事务可见。
隐藏的系统列：InnoDB在每行数据中存储两个隐藏的系统列，记录了行的创建版本和删除版本，用于支持MVCC。

通过这种机制，MVCC能够在保证事务隔离性的同时，提高数据库的并发访问性能。

2. MySQL中的MVCC

在MySQL中，多版本并发控制（MVCC）主要通过InnoDB存储引擎实现。InnoDB使用一系列内部机制来支持MVCC，允许数据库在保持高并发的同时，确保数据的一致性和事务的隔离级别。这里是InnoDB实现MVCC的几个关键组成部分：

1. 隐藏列

InnoDB对每一行数据添加了三个隐藏的列来支持MVCC：

DB_TRX_ID：每当一行数据被修改时，InnoDB都会在这个隐藏列中存储修改该行的事务ID。
DB_ROLL_PTR：这个指针指向undo log记录，如果这行数据被多次修改，这些undo log记录形成一个链表。通过这个链表，InnoDB可以找到某个特定版本的行数据。
DB_ROW_ID：如果表没有定义主键，InnoDB会使用这个隐藏的行ID作为主键。

2. Undo日志

当事务更新数据时，InnoDB会将原始数据的副本存储在undo log中。这允许InnoDB在需要时回滚事务或重建旧的数据版本。对于MVCC来说，undo log使得读取事务能够看到事务开始之前的数据状态，即使这些数据后来被其他事务修改了。

3. Read View

当事务读取数据时，InnoDB会为该事务创建一个read view，这个视图定义了事务可以"看到"哪些行的版本。read view基于以下几个列表来判断数据行的可见性：

活跃事务列表：在read view创建时，系统中所有活跃事务的ID列表。任何具有更高事务ID的数据修改都对当前事务不可见。
上一个事务ID：创建read view时的最大事务ID。这帮助确定哪些数据版本是由尚未提交的事务创建的，因此对当前事务不可见。

4. 数据行的多个版本

通过以上机制，InnoDB能够为每个事务维护数据行的多个版本。当事务需要读取数据时，InnoDB会使用read view来决定哪个版本的数据对该事务是可见的。这取决于数据版本的创建事务ID与read view中活跃事务列表的比较。

如何工作

当事务A更新一行数据时，InnoDB会将该行的当前版本写入undo log，并更新该行的DB_TRX_ID。
如果此时事务B要读取相同的数据，InnoDB会检查事务B的read view。如果事务A的ID不在事务B的活跃事务列表中，这意味着事务A在事务B开始之前就已经提交，因此事务B可以看到事务A对该行所做的更改。
如果事务A还未提交，事务B将看不到这些更改。InnoDB会使用undo log来为事务B提供该行数据的一个早期版本。

通过这种方式，InnoDB的MVCC机制支持了读未提交（Read Uncommitted）、读已提交（Read Committed）、可重复读（Repeatable Read）等不同的事务隔离级别，并且允许并发事务高效安全地访问数据库，而无需对读操作加锁。

3. 例子

让我们通过一个简单的例子来说明InnoDB是如何实现MVCC的。假设我们有一个简单的银行账户表accounts，其中包含两列：account_id（账户ID）和balance（余额）。现在，我们有两个事务同时操作这个表：事务A（Tx A）要更新一个账户的余额，而事务B（Tx B）想要读取一些账户的余额信息。

初始状态

accounts表中有一条记录：account_id = 1, balance = 100。

事务A的操作

开始事务A ：事务A开始，并打算将account_id = 1的账户余额更新为200。
更新操作 ：InnoDB在更新余额之前，会将这行数据当前的版本（balance = 100）存储到undo log中，并将这行数据的DB_TRX_ID更新为事务A的事务ID。
余额更新 ：account_id = 1的账户余额现在变为200。

事务B的操作

开始事务B：事务B开始，想要读取所有账户的余额信息。
构建Read View：为事务B创建一个read view，这个read view包含了事务开始时系统中所有未完成的事务ID。由于事务A尚未提交，它的ID也在这个列表中。

读取操作

事务B读取account_id = 1的余额 ：当事务B尝试读取这个账户的余额时，InnoDB检查这行数据的DB_TRX_ID。
使用Read View判断数据版本的可见性：由于事务A的ID在事务B的read view活跃事务列表中，这意味着事务B不能看到事务A所做的更改。
通过Undo Log访问旧数据 ：InnoDB使用undo log中的信息，提供给事务B这行数据的旧版本（balance = 100），即使当前表中的数据已经被更新为200。

事务提交

事务A提交 ：事务A完成更新操作后提交。此时，InnoDB会更新这行数据的DB_TRX_ID，表示这个版本的数据是由事务A创建的。
事务B读取操作之后：即使事务A已经提交，由于事务B的read view是在事务B开始时创建的，事务B仍然只能看到旧版本的数据。

结论

通过这个例子，我们可以看到InnoDB的MVCC是如何工作的：

Undo Log：保留数据的旧版本，使得即使数据被更新，旧的事务也可以看到更新前的数据。
Read View：定义了一个事务可以看到哪些数据版本，确保事务的隔离性。
DB_TRX_ID：标识了数据版本是由哪个事务创建的，用于决定数据的可见性。

这种机制允许事务B在事务A更新数据的同时读取数据，而不会看到未提交的更改，从而实现了非锁定读取和高并发性。