在数据库系统中,多版本并发控制(MVCC, Multi-Version Concurrency Control) 是一种用于提高并发性能的机制,它允许多个事务同时读取和写入数据,而不会产生锁等待和阻塞的问题。MySQL 的 InnoDB 存储引擎广泛使用了 MVCC 来处理并发事务。为了深入理解 MVCC 的工作原理,我们需要了解事务、版本链、Read View 的概念。
1. 事务和版本链
1.1 事务的基本概念
- 事务(Transaction) 是数据库中的一个操作序列,这些操作要么全部执行成功,要么全部撤销。事务具有四个特性:原子性、一致性、隔离性、持久性(ACID)。
- 在 MVCC 中,每个事务都有一个唯一的事务 ID(
trx_id
),用于标识事务。
1.2 版本链
- 在 InnoDB 中,每一行数据都有一个隐藏的列
trx_id
,记录了最后一次修改该行的事务 ID。 - 当一条记录被更新时,InnoDB 并不会立即删除旧的记录,而是将新的记录作为一个版本(新版本)插入,并将旧记录保留作为历史版本。
- 这些历史版本通过指针链接起来,形成一个版本链。最新的记录在链的头部,旧版本依次排在后面。
2. Read View 和 MVCC
在 MVCC 中,事务在读取数据时会创建一个 Read View。Read View 记录了当前数据库中活跃事务的状态,并通过它来决定哪些数据版本对当前事务可见,哪些不可见。
2.1 Read View 的关键属性
在创建 Read View 后,我们可以将记录中的 trx id 划分这三种情况:
min_trx_id
:当前系统中所有未提交事务的最小事务 ID。表示在 Read View 创建时,所有事务 ID 小于min_trx_id
的事务都已经提交。max_trx_id
:在 Read View 创建时数据库中下一个将要分配的事务 ID。表示在 Read View 创建时,所有事务 ID 大于等于max_trx_id
的事务是未来才会启动的事务。m_ids
:在 Read View 创建时,当前系统中所有活跃的事务 ID 列表。表示在 Read View 创建时,这些事务还未提交。
2.2 MVCC 的可见性规则
当一个事务试图读取某条记录时,InnoDB 会使用 MVCC 机制判断该记录的哪个版本对当前事务可见。判断过程如下:
-
自己的事务更新的记录总是可见:
- 如果当前事务对某条记录进行了更新(创建了新版本),那么这个版本对该事务总是可见的。
-
记录的
trx_id
小于min_trx_id
:- 如果记录的
trx_id
小于min_trx_id
,说明这个版本的记录是在创建 Read View 之前的某个事务中生成的,且该事务已经提交。 - 因此,这个版本的记录对当前事务是可见的。
- 如果记录的
-
记录的
trx_id
大于等于max_trx_id
:- 如果记录的
trx_id
大于等于max_trx_id
,说明这个版本的记录是在创建 Read View 之后的某个事务中生成的(这些事务甚至可能还未开始)。 - 因此,这个版本的记录对当前事务不可见。
- 如果记录的
-
记录的
trx_id
在min_trx_id
和max_trx_id
之间:- 如果记录的
trx_id
介于min_trx_id
和max_trx_id
之间,需要进一步检查trx_id
是否在m_ids
列表中:- 在
m_ids
列表中:表示生成该版本的事务还没有提交,仍然是活跃的。这时,该版本对当前事务不可见,因为它还处于未提交状态。 - 不在
m_ids
列表中:表示生成该版本的事务已经提交,所以这个版本对当前事务可见。
- 在
- 如果记录的
3. 举例说明
假设当前有三个事务:
- 事务 A(
trx_id
= 10):已提交。 - 事务 B(
trx_id
= 15):未提交,仍在进行中。 - 事务 C(
trx_id
= 20):未提交,仍在进行中。
假设当前有一个事务 D 正在运行,它的 trx_id
是 25。事务 D 创建了一个 Read View,假设在创建时系统的下一个事务 ID 为 30。
此时 Read View 的属性值为:
min_trx_id = 15
(未提交的事务中最小的 ID)。max_trx_id = 30
(下一个将要分配的事务 ID)。m_ids = [15, 20]
(未提交的事务列表)。
现在,事务 D 要读取某条记录,假设该记录的不同版本的 trx_id
分别是 10(旧版本)和 20(新版本),我们来看哪些版本对事务 D 可见:
- 版本 1(
trx_id
= 10) :- 10 <
min_trx_id
,这个版本的记录是在事务 D 的 Read View 创建之前已经提交的,因此对事务 D 可见。
- 10 <
- 版本 2(
trx_id
= 20) :- 20 在
min_trx_id
和max_trx_id
之间,而且 20 在m_ids
列表中,这意味着这个版本是由仍然活跃的事务 C 创建的,且未提交。 - 因此,这个版本的记录对事务 D 不可见。
- 20 在
4. MVCC 的优点
- 高并发性能:MVCC 允许读写操作并发进行,读操作不会阻塞写操作,写操作也不会阻塞读操作。
- 一致性读取:通过 Read View,MVCC 确保每个事务读取到的都是一致的数据快照,而不会受到其他事务未提交修改的影响。
- 无锁读:MVCC 实现了大多数情况下的无锁读操作,提高了数据库的整体性能。
5. MVCC 的局限性
- 空间开销:由于需要保留旧版本数据,因此 MVCC 会增加数据存储的空间开销。
- 垃圾数据清理:随着数据的不断更新和删除,版本链会变长,MySQL 需要定期清理不再需要的旧版本数据,这通常由后台线程完成。
6. 总结
MVCC 是 MySQL InnoDB 存储引擎用来处理并发事务的一种重要机制。通过版本链和 Read View 的机制,MVCC 能够高效地处理多个事务的并发读写操作,确保数据的一致性和系统的高性能。了解 MVCC 的工作原理,对于优化 MySQL 性能和解决并发问题至关重要。