高级java每日一道面试题-2024年10月6日-数据库篇-MVCC是什么? 它的底层原理是什么?

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面试官: MVCC是什么? 它的底层原理是什么?

我回答:

多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control, MVCC）是一种用于数据库管理系统中的并发控制方法。MVCC 通过为每个事务提供数据的不同版本，允许多个事务同时访问同一数据的不同版本，从而提高了系统的并发性能和可扩展性。这种机制特别适用于读多写少的场景。

MVCC 的基本概念

• 事务：在数据库中，事务是一组操作的集合，这些操作要么全部成功执行，要么全部不执行。
• 版本：每个数据项都有多个版本，每个版本对应一个特定的时间点或事务。
• 快照：事务开始时会创建一个数据的快照，这个快照包含了事务开始时的数据状态。

MVCC 的底层原理

1. 版本链

• 每个数据行都有一个隐藏的版本链字段，记录了该行的所有历史版本。
• 版本链中的每个节点包含：
  • 事务ID：生成该版本的事务ID。
  • 回滚指针：指向该行的上一个版本。
  • 其他元数据：如删除标记等。

2. 事务ID

• 每个事务在启动时会被分配一个唯一的事务ID（Transaction ID），通常是一个递增的整数。
• 事务ID用于标识事务的顺序和版本。

3. 读取可见性规则

• 读未提交（Read Uncommitted）：事务可以看到所有版本的数据，包括未提交的数据。这种情况很少使用，因为可能会导致脏读。
• 读已提交（Read Committed）：事务只能看到已经提交的数据。对于当前事务来说，每次读取都会获取最新的已提交数据。
• 可重复读（Repeatable Read）：事务在第一次读取数据后，后续的读取操作会看到相同的数据版本，即使其他事务已经修改并提交了数据。
• 串行化（Serializable）：事务之间完全隔离，不允许并发读写操作。这是最严格的隔离级别，但性能最低。

读操作：

• 读操作只读取符合时间条件或事务ID条件的版本。在读取数据时，事务只能看到创建时间早于事务开始时间的版本，或者只能看到在事务开始之前已经提交的事务所修改的版本。这样可以保证事务读取的数据是一致的，不会受到其他未提交事务的影响。
• 快照读：指读取的数据版本是在事务开始时已经存在的数据版本，而不是最新的数据版本。这种读取方式提供了事务在执行期间看到的数据视图的一致性。

4. 写入操作

• 当事务对某一行进行更新或删除操作时，InnoDB 会在版本链中创建一个新的版本，并将旧版本通过回滚指针链接起来。
• 更新操作会将旧版本标记为“删除”，但不会立即物理删除，而是保留在版本链中，以便其他事务可以读取到旧版本。

写操作：

• 写操作会创建新的版本，并更新相关记录的版本号或时间戳。旧的版本仍然存在，不会被删除。这样做的好处是，其他正在进行的事务可以继续读取到旧的版本，不会被阻塞。
• 当前读：指读取最新的数据版本，通常涉及加锁操作，以保证读取到的数据是最新的且不会被其他事务修改。

5.版本控制：

• 为了维护数据的一致性和隔离性，MVCC使用了版本控制机制。事务开始时，会记录当前的最新版本号或时间戳。在事务执行过程中，只能读取到版本号小于等于事务开始时的版本或时间戳早于事务开始时间的版本。

6. 垃圾回收

• InnoDB 有一个后台线程负责垃圾回收，定期清理不再需要的历史版本。
• 只有当某个版本对所有活跃事务都不再可见时，才会被物理删除。
• 为了防止旧的版本无限增加，占用过多的存储空间，MVCC采用了垃圾回收机制。当一个事务提交时，系统会检查该事务产生的版本是否还有其他事务正在使用。如果没有，那么该版本就可以被删除，释放空间。

ReadView

• ReadView是InnoDB在实现MVCC时用到的一致性读视图，用于支持RC（Read Committed，读提交）和RR（Repeatable Read，可重复读）隔离级别的实现。ReadView包含了生成该ReadView时系统中所有活跃事务的ID列表，用于判断某个版本的数据对当前事务是否可见。

实现原理

• MVCC的实现主要依赖读视图（Read View）和Undo Log链。读视图用于管理事务之间数据可见性的一种机制，它包含了在该时刻所有未提交事务的事务标识符以及其他一些辅助信息。Undo Log链则用于记录修改前的数据信息，以便进行事务回滚或版本控制。
• 在读取数据时，根据读视图中的信息，去Undo Log中查找满足条件的版本，并返回给事务。如果找不到满足条件的版本，则返回NULL。

具体实现示例

假设我们有一个简单的表 users，其中有一行数据：

现在有两个事务 T1 和 T2，它们分别在不同的时间点开始：

• T1 在 t1 时间点开始，事务ID为 101。
• T2 在 t2 时间点开始，事务ID为 102。

T1 更新数据

• T1 执行 UPDATE users SET name = 'Bob' WHERE id = 1;

• InnoDB 会创建一个新的版本：

  id	name	age	db_trx_id	db_roll_ptr
  1	Bob	30	101	(指向上一个版本)
  1	Alice	30	100	NULL

• T1 还未提交。

T2 读取数据

• T2 执行 SELECT * FROM users WHERE id = 1;
• 根据读取可见性规则，T2 只能看到事务ID小于等于自己且已提交的数据。
• 因此，T2 会读取到 Alice 这个版本。

T1 提交

• T1 提交事务。
• T2 再次执行 SELECT * FROM users WHERE id = 1;
• 现在 T2 会读取到 Bob 这个版本。

MVCC的应用场景和优点

MVCC主要应用于需要高并发读取操作的数据库系统中，如MySQL的InnoDB引擎。它的优点包括：

1. 提高并发性能：通过维护多个数据版本，允许并发事务在不相互阻塞的情况下读取不同版本的数据，从而提高了系统的并发性能。
2. 避免脏读：通过维护版本号和读视图，MVCC可以确保读操作不会读取到未提交的写入数据，避免了脏读问题。
3. 支持并发写：MVCC允许多个事务同时进行写操作，通过版本管理和冲突检测来保证数据的一致性。

总结

MVCC 通过维护多个数据版本来支持高并发读写操作，确保了事务的隔离性和一致性。它通过以下关键机制实现：

• 版本链：记录每个数据行的所有历史版本。
• 事务ID：唯一标识每个事务。
• 读取可见性规则：根据事务的隔离级别决定哪些版本的数据是可见的。
• 写入操作：创建新的版本并保留旧版本。
• 垃圾回收：定期清理不再需要的历史版本。

理解 MVCC 的底层原理对于高级 Java 面试非常重要，因为它直接关系到数据库的性能优化和设计决策。展示你对 MVCC 的深入理解，可以帮助面试官了解你在数据库管理和优化方面的知识水平。