MVCC的实现原理

MVCC的提出

MVCC，全称Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。

• 高并发环境下，如果我们想保证并发安全， 那么最简单的就是加锁，线程排队一个一个去执行自己的事务。但这样会导致性能大幅降低，无法满足高并发对性能的需求。
• 于是，我们想要对其进行优化。深入去看数据库的执行过程，我们发现读取操作会加锁导致写入操作被阻塞，必须等待读取完成后才能写入。这就是读写冲突。
• 为了解决这种读写冲突，我们便想，能不能在读的时候不加锁呢，让读操作去读一个过去的一张照片（快照），而写操作去创建未来的一个新版本。这样大家各走各的路，互不干扰。于是，我们便提出了MVCC，多版本并发控制。

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MVCC如何实现

1. 隐藏的字段

• 在InnoDB中，每一行数据有三个隐藏的字段DB_TRX_ID，DB_ROLL_PTR，DB_ROW_ID。其中最重要的便是前两个字段。
• DB_TRX_ID，表示最近一次修改它的事务ID。
• DB_ROLL_PTR，表示指向undo log的指针。

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2. Undo Log(版本链)

• 当你对数据库进行操作时，Undo Log会记录一条相反的操作。比如你INSERT，它就会记录一条DELETE；你把 10 更新到 20，它就会记录更新到10；你DELETE，它就会记录INSERT。
• 当一条数据被修改的时候，旧数据不会被直接删除，而是会被写进Undo Log，并由DB_ROLL_PTR串联起来。
• 这就形成了版本链：

版本5
   ↓
版本4
   ↓
版本3
   ↓
...

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3. Read View(读视图)

一张照片，便此刻定格了下来。

• 当一个事务开启时：生成一个 Read View。
• Read View里面记录着：

m_ids          |(活跃中的事务id列表)
Min_trx_id     |(活跃中的最小事务id)
max_tex_id     |(分配给下一个事务的id)
creator_trx_id |(生成「ReadView」时所在的事务id)

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4. 可见性算法

• 查询数据时，数据库会判断：这个版本的 trx_id 对当前事务是否“可见”？
• 下面是判断规则：

5. 隔离等级

• 在MVCC中有两种隔离级别：可重复读,读已提交。
• 其中我们需要注意的是可重复读再第二次查询的时候不会再次生成Read View，而是继续沿用第一次的视图，保证数据的一致性。

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6. 实际应用

• 接下来我们以此为例进行综合应用
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• 以事务104来看。此时正在执行的事务是事务104和事务101
• m_ids = {101,104}
• min_trx_id = 101
• max_trx_id = 105
• creator_trx_id = 104
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• 接下来依据可见性算法进行判断。
• 103 ≠ 104 不是当前事务
• 103 ≮ 101 不是已提交的事务
• 103 ≯ 105 不是当前事务之后开启的事务
• 101 ≤ 103 ≤ 105，且不在m_ids中，所以事务103是已提交的事务，可以访问103的值。
• 第一个查询结果为axing3。

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执行第二个查询时，会根据上文提到的隔离级别出现结果的不同。

• 在执行第二个查询之前，按照流程图，事务101已经提交了事务。Undo Log多出了事务101的节点。
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• 在读提交的隔离级别下，101 < 104，说明101事务已提交，所以第二次的查询结果是axing1。
• 此时第一次查询和第二次查询结果确实不一样，出现了不可重复读。

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• 为了实现可重复读，在第二次查询时不会生成新的ReadView，而是沿用第一次查询的ReadView。此时的组合是Undo Log(新) + ReadView(旧)
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• 此时101在m_ids中，属于未提交事务，是不可读取的，于是我们便向下找到103节点。
  此时情况便和最开始的第一次查询情况一样了。
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• 此时两次查询结果都是相同的了，实现了可重复读。

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MVCC中的思想

用空间换取时间的自由，通过保留历史来成就当前的并发。

在传统的锁定机制中，世界是排他的：我要写，你就不能读。这是一种对抗性思维。
MVCC： 读和写不一定是冲突的。我通过为数据创建多个版本，读操作可以查看“过去某个时间点”的快照，而写操作则在“当前时间点”创建新版本，我让不同的事务生活在不同的“时间流”里，互不干扰。

让“过去”与“现在”解耦

数据不再是一个静止的、唯一的点，而是一个随时间流动的序列。
MVCC：“真相”取决于你观察的角度（事务开始的时间点）。只要你的逻辑是一致的，你所看到的那个“旧版本”就是属于你的正确真相。

上善若水，水善利万物而不争

承认时间的相对性，让每一个事务都能在不干扰他人的情况下，拥有一个逻辑上完美的、属于自己的世界。

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图片资源来源B站：阿星不是程序员