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深入探讨MySQL的MVCC机制

article 2024/9/19 22:51:47

一、MySQL的MVCC（多版本并发控制）机制

MySQL的MVCC（多版本并发控制）机制是一种先进的并发控制方法，它允许多个事务同时访问数据库，从而提高了系统的并发性能。MVCC通过在数据库表中维护行级隐藏字段，如DB_TRX_ID和DB_ROLL_PT，以及利用undo日志来实现对数据的版本管理，使得读操作不需要加锁即可进行，从而减少了读写冲突。

以下是MVCC机制的关键组成部分及其工作原理：

隐藏字段：InnoDB存储引擎中的每行记录都包含一些隐藏字段，如DB_TRX_ID（最近修改该行的事务ID）、DB_ROLL_PT（指向该行上一个版本的回滚指针）。这些字段是实现MVCC的基础。
版本链：每次更新一条记录时，旧值被复制到undo日志中，形成版本链。每个版本包含了创建该版本时对应的事务ID（trx_id），这个信息对于确定版本可见性至关重要。
ReadView：当事务执行快照读时，会产生一个ReadView，它是一个“读视图”，用于判断当前事务可见的数据版本。ReadView中包含了系统中活跃的（未提交或回滚的）事务ID列表等信息。通过比较ReadView与版本链中的trx_id，可以确定哪个版本的数据对当前事务可见。
事务隔离级别：MVCC在read-committed和repeatable-read两个隔离级别下工作。不同的隔离级别决定了生成ReadView的策略不同，从而影响数据的一致性和隔离性。
undo log：除了用于事务的回滚，undo log还用于支持MVCC。每次数据修改时，都会在undo log中留下快照，这样在需要读取旧版本数据时就可以通过undo log来实现。
锁机制：虽然MVCC提供了无锁读取的能力，但在写入数据时仍然需要加锁来保证数据的一致性。写操作涉及的是当前读，需要对数据加锁以保护数据的完整性。

MVCC机制通过维护数据的版本链、使用ReadView来判断数据可见性，以及依赖undo log来提供事务的回滚和版本控制，实现了在不加读锁的情况下也能进行高效的并发读取。这不仅避免了读写锁的竞争，而且提高了系统在高并发环境下的处理能力。在实际使用中，应根据应用场景合理选择事务隔离级别，以平衡系统性能和数据一致性的需求。

二、事务隔离级别对MVCC的可见性判断

MySQL的事务隔离级别对MVCC（多版本并发控制）的可见性判断有直接影响。在MySQL中，不同的隔离级别定义了一个事务可能遇到的不一致数据级别，这直接决定了MVCC如何为每个事务构建ReadView（一致性读视图），从而影响数据的可见性。具体介绍如下：

READ UNCOMMITTED：该隔离级别下，事务可以读到其他事务未提交的数据，这意味着一个事务可以看见其他事务正在处理但还未完成的数据。在MVCC机制中，由于读取尚未提交的数据通常不是预期的行为，这个隔离级别很少使用。
READ COMMITTED：大多数数据库系统的默认隔离级别，一个事务只能读取已提交的更改，避免了脏读的问题。在MVCC中，这意味着一个事务读取的数据是其他事务已经提交的最新版本。当读取数据时，系统会生成一个ReadView，包含当前系统中活跃的（未提交或回滚的）事务ID列表等信息，用于判断哪些数据版本对当前事务是可见的。
REPEATABLE READ：InnoDB存储引擎的默认隔离级别，保证在一个事务内多次读取同样的行集时，结果是一致的。在MVCC中，这意味着一旦事务启动，它就会创建一个快照，后续的读操作都基于这个快照进行，即使有其他事务提交了修改，也不会影响当前事务看到的数据。
SERIALIZABLE：这是最严格的隔离级别，它会强制事务串行执行，避免了所有的并发问题，包括脏读、不可重复读和幻读。在MVCC中，这意味着事务会锁定它所访问的所有行，直到事务结束，这降低了并发性能，但提供了最高的数据一致性保证。

此外，了解不同隔离级别对MVCC可见性判断的影响，对于数据库性能调优和预防并发问题至关重要。开发者应根据应用的业务逻辑和并发需求选择合适的隔离级别。

MySQL的事务隔离级别通过定义事务对数据可见性的不同标准，深刻影响了MVCC的工作方式。理解这些隔离级别及其对MVCC可见性判断的影响，有助于更好地利用MySQL的事务管理功能，实现高效且一致的数据处理。

三、InnoDB存储引擎支持MVCC

InnoDB存储引擎通过多种机制支持MVCC。MVCC允许多个事务同时读取同一份数据，从而提高了数据库的并发处理能力。以下是InnoDB如何实现MVCC的关键方面：

隐藏字段：InnoDB为每行数据添加了三个隐藏字段，分别是DB_TRX_ID、DB_ROLL_PTR和DB_ROW_ID。DB_TRX_ID记录最后一次插入或更新该行的事务ID，而DB_ROLL_PTR是一个指向该行undo log的回滚指针，如果该行未被更新，则为空。DB_ROW_ID则用于生成聚簇索引。
系统版本号：InnoDB使用创建版本号（Create Version）和删除版本号（Delete Version）来标记每行数据。创建版本号记录行数据被创建时的事务ID，而删除版本号记录行数据被删除时的事务ID。如果数据行未被删除，则此值为最大事务ID加1。
Undo Log：Undo Log是MVCC事务特性的重要组成部分，主要用于记录数据被修改之前的日志。在表信息修改之前先会把数据拷贝到undo log里，当事务进行回滚时可以通过undo log里的日志进行数据还原。
Read View：InnoDB支持MVCC多版本，其中RC（Read Committed）和RR（Repeatable Read）隔离级别是利用consistent read view（一致读视图）方式支持的。所谓consistent read view就是在某一时刻给事务系统trx_sys打snapshot（快照），把当时trx_sys状态（包括活跃读写事务数组）记下来，之后的所有读操作根据其事务ID（即trx_id）与snapshot中的trx_sys的状态作比较，以此判断read view对于事务的可见性。
锁定读和一致性非锁定读：在锁定读下，读取的是数据的最新版本，这种读也被称为当前读（current read）。而在一致性非锁定读下，即使读取的记录已被其他事务加上X锁，这时记录也是可以被读取的，即读取的快照数据。
版本的回收：为了防止数据库中的版本无限增长，MVCC会定期进行版本的回收。回收机制会删除已经不再需要的旧版本数据，从而释放空间。
事务提交和回滚：当一个事务提交时，它所做的修改将成为数据库的最新版本，并且对其他事务可见。当一个事务回滚时，它所做的修改将被撤销，对其他事务不可见。
隔离级别的支持：MVCC只在Read Committed和Repeatable Read两个隔离级别下工作，其他两个隔离级别和MVCC不兼容。Read Uncommitted总是读取最新的记录行，不需要MVCC的支持；Serializable则会对所有读取的记录行都加锁，单靠MVCC无法完成。

InnoDB存储引擎通过维护数据行的隐藏字段、使用系统版本号、管理Undo Log、构建Read View、区分锁定读和一致性非锁定读、定期进行版本回收以及支持特定的事务隔离级别等多种机制，实现了MVCC。这些机制共同作用，使得InnoDB能够有效地支持MVCC，从而实现了高效的并发控制和数据一致性保证。