并发控制机制大揭秘：解析SQL Server与PostgreSQL的并发控制策略

前言

理解SQL Server和PostgreSQL中的并发控制：比较分析并发控制是数据库管理系统的基石，确保在多个用户同时访问或修改数据时，数据的一致性和完整性。SQL Server和PostgreSQL在并发控制的实现上有所不同，这反映了它们各自独特的架构理念。

本文将探讨这两种数据库系统使用的并发控制方法，重点介绍SQL Server中的悲观并发和乐观并发，以及PostgreSQL中的多版本并发控制（MVCC）。

SQL Server中的并发控制

SQL Server默认使用悲观并发控制，但它也提供了乐观并发控制。这两种方法根据工作负载和冲突的可能性提供了灵活性。

悲观并发控制

悲观并发控制依赖于锁来防止冲突，确保在任何时候只有一个事务可以修改或访问资源。这种方法假设冲突是可能发生的，并旨在主动避免冲突。当一个事务读取或修改一行数据时，它会在该行上加锁（读取时使用共享锁，写入时使用排他锁），直到锁被释放，其他事务才能访问该行数据。SQL Server在多个级别上使用锁，例如行锁、页锁或表锁。这些锁的作用范围和持续时间由事务隔离级别决定，例如未提交读取（Read Uncommitted） 、已提交读取（Read Committed） 、可重复读取（Repeatable Read） 和串行化（Serializable）。

这种方法通过防止脏读、不可重复读和幻读等问题，确保了数据的一致性，具体取决于所选择的事务隔离级别。然而，使用锁可能导致阻塞，事务必须等待锁被释放，从而降低数据库吞吐量。此外，还存在死锁的风险，即两个或多个事务持有其他事务所需的锁，导致相互等待，形成僵局。这些因素可能会在高并发环境中由于锁竞争而降低性能。

乐观并发控制

与此相反，乐观并发控制假设冲突是存在的，允许事务在不加锁资源的情况下继续进行。这种方法在数据修改时检测冲突，而不是在修改前就加锁。SQL Server通过行版本检查实现这一点，每行数据都有时间戳或版本号来跟踪变化。在提交之前，系统会检查自读取数据以来，数据是否已经被修改。乐观并发控制通常基于行版本的事务隔离级别来实现，例如已提交读取快照隔离（RCSI） 或 快照隔离（SI）。基于行版本的事务隔离级别减少了锁竞争和阻塞，因为在事务过程中不会持有锁。在大量读取操作的环境中，它的表现良好。然而，冲突仅在事务结束时被检测到，如果冲突频繁发生，可能会导致工作浪费。此外，维护版本信息需要额外的数据行存储开销和TempDB数据库中的开销。

PostgreSQL中的并发控制

PostgreSQL采用多版本并发控制（MVCC）作为其主要的并发控制机制。MVCC是一种乐观的方法，它避免了锁的使用，通过数据的多个版本来管理并发访问。

MVCC的工作原理

在PostgreSQL中，记录从不被直接修改。相反，当一个事务更新一条记录时，PostgreSQL会创建该行的新版本，同时保持旧版本不变。每个行版本都会存储带有元数据的字段：xmin 和xmax，这些字段用于跟踪与行版本的创建和过期相关的事务ID。

xmin字段包含创建该行版本的事务ID。这确保其他事务可以根据自己的快照来确定该行版本是否可见。
xmax字段包含将该行版本标记为过时的事务ID，例如在更新或删除操作中。

这种版本控制机制确保每个事务都能拥有数据库的一致性视图，因为它可以根据事务的快照来确定哪些行版本是可见的。下图展示了一个包含单个逻辑行的表，每个物理行版本由同一逻辑行记录的连续UPDATE语句所创建。

索引条目和行版本

当表中存在索引时，每个行版本都会有一个相应的索引条目。这意味着，如果一行数据被多次更新，表中将存在多个行版本，每个版本都会有自己的索引条目。这确保了使用索引的查询能够根据事务的快照找到适当的行版本。尽管这种方法提高了读取一致性，但它也引入了额外的存储开销，因为行版本及其相关的索引条目都占用了存储空间。PostgreSQL依赖其自动清理（Auto Vacuum）进程来清理那些已过时的、不再对任何活动事务可见的行版本及其索引条目。

MVCC的优点

MVCC的一个重要优势是其非阻塞行为。读取操作从不阻塞写入操作，写入操作也从不阻塞读取操作，这增强了并发性和性能。这使得MVCC在高读取并发的系统中尤其有效。此外，MVCC通过允许事务独立操作，并且只对重叠的数据修改进行冲突解决，提供了精细的冲突解决机制。

MVCC的缺点

维护多个行版本会增加存储需求，尤其是在写入密集型工作负载的情况下。PostgreSQL的自动清理（Auto Vacuum）进程会移除过时的行版本，增加了操作的开销，如果没有正确调优，可能会影响性能。另一个挑战是，写冲突只在提交时被检测到，这可能导致在频繁更新相同数据的场景中出现竞争问题。例如"更新丢失"的问题。

SQL Server和PostgreSQL的关键差异

SQL Server和PostgreSQL在并发控制方面采取了截然不同的方法。SQL Server的乐观并发提供了一个折衷，避免了锁，从而减少了竞争。PostgreSQL依赖于MVCC，它提供非阻塞的读取，特别适合高读取并发的环境，但由于行版本控制和索引维护，存储开销会更大。

在性能方面，SQL Server在读取密集型工作负载中如果不把默认的悲观并发修改为乐观并发可能会遭遇锁竞争问题，而PostgreSQL的MVCC在这种场景中表现优越，因为它确保读取操作永远不会阻塞写入操作。然而，PostgreSQL的方法需要更多的资源来管理数据的多个版本，并且由于清理过程的开销，在写密集型工作负载中可能会带来挑战。

总结

并发控制是数据库性能和一致性的重要方面。SQL Server和PostgreSQL采取了不同的策略，这些策略与它们的架构理念相一致。SQL Server同时提供了悲观并发和乐观并发方法为不同的工作负载提供了灵活性，而PostgreSQL的默认MVCC机制则确保了并发操作的无缝高效处理。理解这些机制及其权衡，可以帮助你选择合适的数据库系统，并根据具体需求进行最佳配置。

本文版权归作者所有，未经作者同意不得转载。