如何理解MVCC - 技术栈

MVCC是什么？

MVCC，是MultiVersion Concurrency Control 的缩写，翻译成中文就是多版本并发控制 ，多个事务同时访问同一数据时，调控每一个事务获取到数据的具体版本。和数据库锁一样，它也是一种并发控制的解决方案。主要用于解决脏读、可重复读 和部分幻读 问题，所以MVCC主要被运用于读提交 、可重复读这两种事务隔离级别下。

MVCC解决并发读写问题主要依赖于UndoLog 、隐藏字段 和ReadView 读视图这三个部分。其中最重要的就是ReadView 和隐藏字段。

MVCC解决了哪些问题

在读未提交事务隔离级别下，直接读取UndoLog版本链中的最新记录即可。

在读提交 事务隔离级别下，通过MVCC中每次读取数据的时候生成一次ReadView解决脏读问题

在可重复读 事务隔离级别下，通过MVCC中每次开启一次事务的时候生成一次ReadView解决不可重复读问题

在可重复读 事务隔离级别下，通过MVCC中每次开启一次事务的时候生成一次ReadView读视图，后续的查询都是根据这个ReadView读视图来判断哪些数据是可读的，即使中途有其他事务插入了新纪录，也是查询不出来这条数据的，所以就很好了避免幻读问题。

快照读与当前读

MVCC在MySQL InnoDB中的实现主要是为了提高数据库并发性能，用更好的方式去处理 读-写冲突 ，做到即使有读写冲突时，也能做到 不加锁 ，即非阻塞并发读 ，而这个读指的就是 快照读 , 而非 当前读 。当前读实际上是一种加锁的操作，是悲观锁的实现。而MVCC本质是采用乐观锁思想的一种方式。

快照读

快照读又叫一致性读，读取的是快照数据。不加锁的简单的 SELECT 都属于快照读，即不加锁的非阻塞读；比如这样：

SELECT * FROM player WHERE ...

之所以出现快照读的情况，是基于提高并发性能的考虑，快照读的实现是基于MVCC，它在很多情况下，避免了加锁操作，降低了开销。

既然是基于多版本，那么快照读可能读到的并不一定是数据的最新版本，而有可能是之前的历史版本。

快照读的前提是隔离级别不是串行级别，串行级别下的快照读会退化成当前读。

当前读

当前读读取的是记录的最新版本（最新数据，而不是历史版本的数据），读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录，会对读取的记录进行加锁。加锁的 SELECT，或者对数据进行增删改都会进行当前读。比如：

SELECT * FROM student LOCK IN SHARE MODE; # 共享锁
SELECT * FROM student FOR UPDATE; # 排他锁
INSERT INTO student values ... # 排他锁
DELETE FROM student WHERE ... # 排他锁
UPDATE student SET ... # 排他锁

Read View 在 MVCC 里如何工作的？

我们需要了解两个知识：

Read View 中四个字段作用；
聚簇索引记录中两个跟事务有关的隐藏列；

什么是ReadView?

那 Read View 到底是个什么东西？

Read View 是事务开始或读取数据时创建的一致性视图，记录了当前系统中活跃事务的集合。这个视图帮助事务确定哪些版本的数据是可见的。通过 Read View，事务能够看到在其开始时已经提交的事务产生的数据版本，而忽略未提交的事务的数据版本。

Read View 有四个重要的字段：

m_ids ：当前活跃的事务编号列表 。指的是在创建 Read View 时，当前数据库中「活跃事务 」的事务id编号列表 ，注意是一个列表，"活跃事务"指的就是，启动了但还没提交的事务。
min_trx_id ：最小活跃事务编号 。指的是在创建 Read View 时，当前数据库中「活跃事务 」中事务 id编号最小的事务，也就是 m_ids 的最小值。
max_trx_id ：预分配事务编号 。这个并不是 m_ids 的最大值，而是创建 Read View 时当前数据库中应该给下一个事务的 id 值，也就是全局事务中最大的事务 id 值加1；
creator_trx_id ：ReadView 创建者的事务编号 。指的是创建该 Read View 的事务的事务 id。

ReadView结构如下图所示：

知道了 Read View 的字段，我们还需要了解聚簇索引记录中的两个隐藏列。

隐藏列和Undo Log版本链

假设在账户余额表插入一条小林余额为 100 万的记录，然后我把这两个隐藏列也画出来，该记录的整个示意图如下：

对于使用 InnoDB 存储引擎的数据库表，它的聚簇索引记录中都包含下面两个隐藏列：

trx_id，当一个事务对某条聚簇索引记录进行改动时，就会把该事务的事务 id 赋值给trx_id 隐藏列；
roll_pointer，每次对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把旧版本的记录写入到 undo 日志中，然后这个隐藏列是个指针，指向每一个旧版本记录，于是就可以通过它找到修改前的记录。

创建student表，表结构如下：

假设此时插入一条新记录，该记录的事务id为8，那么此刻该条记录的示意图如下所示：

注意：insert undo只在事务回滚时起作用，当事务提交后，该类型的undo日志就没用了，它占用的Undo Log Segment也会被系统回收（也就是该undo日志占用的Undo页面链表要么被重用，要么被释放）。

假设之后两个事务id分别为 10 、 20 的事务对这条记录进行UPDATE 更新操作，操作流程如下图：

每次对记录进行改动，都会记录一条undo日志，每条undo日志也都有一个 roll_pointer 属性（ INSERT 操作对应的undo日志没有该属性，因为该记录并没有更早的版本），可以将这些 undo日志都连起来，串成一个链表：

对该记录每次更新后，都会将旧值放到一条 undo日志中，就算是该记录的一个旧版本，随着更新次数的增多，所有的版本都会被 roll_pointer 属性连接成一个链表，我们把这个链表称之为版本链，版本链的头节点就是当前记录最新的值。

每个版本中还包含生成该版本时对应的事务id。

判断规则

在创建 Read View 后，我们可以将记录中的 trx_id 划分这三种情况：

一个事务去访问记录的时候，除了自己的更新记录总是可见之外，还有这几种判断规则：

如果被访问表行记录的 trx_id 值与ReadView中的 creator_trx_id 值相同 ，意味着当前事务在访问它自己修改过的记录，所以该版本可以被当前事务访问，该版本的记录对当前事务可见。
如果被访问表行记录的 trx_id 值小于 Read View 中的 min_trx_id 值，表示这个版本的记录是在创建 Read View 前已经提交的事务生成的，所以该版本的记录对当前事务可见。
如果被访问表行记录的 trx_id 值大于等于 Read View 中的 max_trx_id 值，表示这个版本的记录是在创建 Read View 后才启动的事务生成的，所以该版本的记录对当前事务不可见。
如果被访问表行记录的 trx_id 值在 Read View 的 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，需要判断 trx_id 是否在 m_ids 列表中：

- 如果表行记录的 trx_id 在 m_ids 列表中 ，表示生成该版本记录的活跃事务依然活跃着（还没提交事务），所以该版本的记录对当前事务不可见。
- 如果表行记录的 trx_id 不在 m_ids列表中 ，表示生成该版本记录的活跃事务已经被提交，所以该版本的记录对当前事务可见。

判断方法

判断方法是先根据 Read View 中的 4 个重要字段，先去 Undo Log 中最新的数据行进行比对，如果满足下面 Read View 的判断规则中的可见规则，则返回当前行的数据，如果不满足则继续从Undo Log 链中查找当前行的数据的下一个历史版本数据，直到找到满足的条件的数据为止，如果查询完Undolog版本链，发现没有满足条件的数据，则返回 NULL。

可重复读是如何工作的？

可重复读隔离级别是启动事务时生成一个 Read View，然后整个事务期间都在用这个 Read View。

假设事务 A （事务 id 为51）启动后，紧接着事务 B （事务 id 为52）也启动了，那这两个事务创建的 Read View 如下：

事务 A 和事务 B 的 Read View 具体内容如下：

在事务 A 的 Read View 中，它的事务 id 是 51，由于它是第一个启动的事务，所以此时活跃事务的事务 id 列表就只有 51，活跃事务的事务 id 列表中最小的事务 id 是事务 A 本身，下一个事务 id 则是 52。
在事务 B 的 Read View 中，它的事务 id 是 52，由于事务 A 是活跃的，所以此时活跃事务的事务 id 列表是 51 和 52，活跃的事务 id 中最小的事务 id 是事务 A，下一个事务 id 应该是 53。

接着，在可重复读隔离级别下，事务 A 和事务 B 按顺序执行了以下操作：

事务 B 读取小林的账户余额记录，读到余额是 100 万；
事务 A 将小林的账户余额记录修改成 200 万，并没有提交事务；
事务 B 读取小林的账户余额记录，读到余额还是 100 万；
事务 A 提交事务；
事务 B 读取小林的账户余额记录，读到余额依然还是 100 万；

接下来，跟大家具体分析下。

事务 B 第一次读小林的账户余额记录，在找到记录后，它会先看这条记录的 trx_id，此时发现 trx_id 为 50，比事务 B 的 Read View 中的 min_trx_id 值（51）还小，这意味着修改这条记录的事务早就在事务 B 启动前提交过了，所以该版本的记录对事务 B 可见的，也就是事务 B 可以获取到这条记录。

接着，事务 A 通过 update 语句将这条记录修改了（还未提交事务），将小林的余额改成 200 万，这时 MySQL 会记录相应的 undo log，并以链表的方式串联起来，形成版本链，如下图：

你可以在上图的「记录的字段」看到，由于事务 A 修改了该记录，以前的记录就变成旧版本记录了，于是最新记录和旧版本记录通过链表的方式串起来，而且最新记录的 trx_id 是事务 A 的事务 id（trx_id = 51）。

然后事务 B 第二次去读取该记录，发现这条记录的 trx_id 值为 51，在事务 B 的 Read View 的 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，则需要判断 trx_id 值是否在 m_ids 范围内，判断的结果是在的，那么说明这条记录是被还未提交的事务修改的，这时事务 B 并不会读取这个版本的记录。而是沿着 undo log 链条往下找旧版本的记录，直到找到 trx_id 「小于」事务 B 的 Read View 中的 min_trx_id 值的第一条记录，所以事务 B 能读取到的是 trx_id 为 50 的记录，也就是小林余额是 100 万的这条记录。

最后，当事物 A 提交事务后，由于隔离级别时「可重复读」，所以事务 B 再次读取记录时，还是基于启动事务时创建的 Read View 来判断当前版本的记录是否可见。所以，即使事物 A 将小林余额修改为 200 万并提交了事务，事务 B 第三次读取记录时，读到的记录都是小林余额是 100 万的这条记录。

就是通过这样的方式实现了，「可重复读」隔离级别下在事务期间读到的记录都是事务启动前的记录。

读提交是如何工作的？

读提交隔离级别是在每次读取数据时，都会生成一个新的 Read View。

也意味着，事务期间的多次读取同一条数据，前后两次读的数据可能会出现不一致，因为可能这期间另外一个事务修改了该记录，并提交了事务。

那读提交隔离级别是怎么工作呢？我们还是以前面的例子来聊聊。

假设事务 A （事务 id 为51）启动后，紧接着事务 B （事务 id 为52）也启动了，接着按顺序执行了以下操作：

事务 B 读取数据（创建 Read View），小林的账户余额为 100 万；
事务 A 修改数据（还没提交事务），将小林的账户余额从 100 万修改成了 200 万；
事务 B 读取数据（创建 Read View），小林的账户余额为 100 万；
事务 A 提交事务；
事务 B 读取数据（创建 Read View），小林的账户余额为 200 万；

那具体怎么做到的呢？我们重点看事务 B 每次读取数据时创建的 Read View。前两次事务 B 读取数据时创建的 Read View 如下图：

我们来分析下为什么事务 B 第二次读数据时，读不到事务 A （还未提交事务）修改的数据？

事务 B 在找到小林这条记录时，会看这条记录的 trx_id 是 51，在事务 B 的 Read View 的 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，接下来需要判断 trx_id 值是否在 m_ids 范围内，判断的结果是在的，那么说明这条记录是被还未提交的事务修改的，这时事务 B 并不会读取这个版本的记录。而是，沿着 undo log 链条往下找旧版本的记录，直到找到 trx_id 「小于」事务 B 的 Read View 中的 min_trx_id 值的第一条记录，所以事务 B 能读取到的是 trx_id 为 50 的记录，也就是小林余额是 100 万的这条记录。

我们来分析下为什么事务 A 提交后，事务 B 就可以读到事务 A 修改的数据？

在事务 A 提交后，由于隔离级别是「读提交」，所以事务 B 在每次读数据的时候，会重新创建 Read View，此时事务 B 第三次读取数据时创建的 Read View 如下：

事务 B 在找到小林这条记录时，会发现这条记录的 trx_id 是 51，比事务 B 的 Read View 中的 min_trx_id 值（52）还小，这意味着修改这条记录的事务早就在创建 Read View 前提交过了，所以该版本的记录对事务 B 是可见的。

正是因为在读提交隔离级别下，事务每次读数据时都重新创建 Read View，那么在事务期间的多次读取同一条数据，前后两次读的数据可能会出现不一致，因为可能这期间另外一个事务修改了该记录，并提交了事务。

可重复读事务隔离级别下使用MVCC可能发生幻读现象的场景有哪些？

1. 快照读和当前读穿插的场景下使用MVCC依旧会发生幻读

当第一个事务如果先使用快照读来读取范围数据，读取期间第二个事务对这个范围进行插入数据的操作，然后第一个事务又使用当前读来读取这个范围的数据，此时就会出现幻读问题。

例如如下场景：

T1 时刻：事务 A 先执行「快照读语句」：select * from t_test where id > 100 得到了 3 条记录。
T2 时刻：事务 B 往插入一个 id= 200 的记录并提交；
T3 时刻：事务 A 再执行「当前读语句」 select * from t_test where id > 100 for update 就会得到 4 条记录，此时也发生了幻读现象。

要避免这类特殊场景下发生幻读的现象的话，就是尽量在开启事务之后，马上执行 select ... for update 这类当前读的语句，因为它会对记录加 next-key lock，从而避免其他事务插入一条新记录。