MVCC實(shí)現(xiàn)原理是什么

本篇內(nèi)容介紹了“MVCC實(shí)現(xiàn)原理是什么”的有關(guān)知識(shí)，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會(huì)遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

一、MVCC到底是什么？

MVCC即多版本控制器，其特點(diǎn)就是在同一時(shí)間，不同事務(wù)可以讀取到不同版本的數(shù)據(jù)，從而去解決臟讀和不可重復(fù)讀的問題。

這樣的解釋你看了不下幾十遍了吧！但是你真的理解什么是多版本控制器嗎？

生活案例：搬家

最近小Q跟自己的女朋友搬到新家，由于出小區(qū)的時(shí)候需要支付當(dāng)月的物業(yè)費(fèi)。

于是小Q跟自己的女朋友同時(shí)登錄了小區(qū)提供的物業(yè)繳費(fèi)系統(tǒng)。

悲觀并發(fā)控制

假設(shè)小Q正在查當(dāng)月需要繳納的費(fèi)用是多少進(jìn)行支付的時(shí)候，此時(shí)小Q查詢的這條數(shù)據(jù)是已經(jīng)被鎖定的。

那么小Q女朋友是無法訪問該數(shù)據(jù)的，直至小Q支付完成或者退出系統(tǒng)將悲觀鎖釋放，小Q的女朋友才可以查詢到數(shù)據(jù)。

悲觀鎖保證在同一時(shí)間只能有一個(gè)線程訪問，默認(rèn)數(shù)據(jù)在訪問的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生沖突，然后在整個(gè)過程都加上了鎖。

這樣的系統(tǒng)對(duì)于用戶來說就是毫無體驗(yàn)感，如果多個(gè)人同時(shí)需要訪問一條信息，只能在一臺(tái)設(shè)備上看嘍！

樂觀并發(fā)控制

在小Q查看物業(yè)費(fèi)欠費(fèi)情況，并且支付的同時(shí)，小Q的女朋友也可以訪問到該數(shù)據(jù)。

樂觀鎖認(rèn)為即使在并發(fā)環(huán)境下，也不會(huì)產(chǎn)生沖突問題，所以不會(huì)去做加鎖操作。

而是在數(shù)據(jù)提交的時(shí)候進(jìn)行檢測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)有沖突則返回沖突信息。

小結(jié)

Innodb的MVCC機(jī)制就是樂觀鎖的一種體現(xiàn)，讀不加鎖，讀寫不沖突，在不加鎖的情況下能讓多個(gè)事務(wù)進(jìn)行并發(fā)讀寫，并且解決讀寫沖突問題，極大的提高系統(tǒng)的并發(fā)性

二、悲觀鎖、樂觀鎖

鎖按照粒度分為表鎖、行鎖、頁(yè)鎖。

按照使用方式分為共享鎖、排它鎖。

根據(jù)思想分為樂觀鎖、悲觀鎖。

無論是樂觀鎖、悲觀鎖都只是一種思想而已，并不是實(shí)際的鎖機(jī)制，這點(diǎn)一定要清楚。

1. 悲觀鎖（悲觀并發(fā)控制）

悲觀鎖實(shí)際為悲觀并發(fā)控制，縮寫PCC。

悲觀鎖持消極態(tài)度，認(rèn)為每一次訪問數(shù)據(jù)時(shí)，總是會(huì)發(fā)生沖突，因此，每次訪問必須先鎖住數(shù)據(jù)，完成訪問后在釋放鎖。

保證在同一時(shí)間只有單個(gè)線程可以訪問，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的排它性。同時(shí)悲觀鎖使用數(shù)據(jù)庫(kù)自身的鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)，可以解決讀-寫，寫-寫的沖突。

那么在什么場(chǎng)景下可以使用悲觀鎖呢！

悲觀鎖適用于在寫多讀少的并發(fā)環(huán)境下使用，雖然并發(fā)效率不高，但是保證了數(shù)據(jù)的安全性。

2. 樂觀鎖（樂觀并發(fā)控制）

跟悲觀鎖一樣，樂觀鎖實(shí)際為樂觀并發(fā)控制，縮寫為OCC。

樂觀鎖相對(duì)于悲觀鎖而言，認(rèn)為即使在并發(fā)環(huán)境下，外界對(duì)數(shù)據(jù)的操作不會(huì)產(chǎn)生沖突，所以不會(huì)去加鎖，而是會(huì)在提交更新的時(shí)候才會(huì)正式的對(duì)數(shù)據(jù)沖突與否進(jìn)行檢測(cè)。

如果發(fā)現(xiàn)沖突，要么再重試一次，要么切換為悲觀的策略。

樂觀并發(fā)控制要解決的是數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)場(chǎng)景下的寫-寫沖突，指用無鎖的方式去解決

三、MVCC解決了哪些問題

在事務(wù)并發(fā)的情況下會(huì)產(chǎn)生以下問題。

• 臟讀：讀取其它事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)。

• 不可重復(fù)讀：一個(gè)事務(wù)在讀取一條數(shù)據(jù)時(shí)，由于另一個(gè)事務(wù)修改了這條數(shù)據(jù)并且提交事務(wù)，再次讀取時(shí)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致

• 幻讀：一個(gè)事務(wù)讀取了某個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，同時(shí)另一個(gè)事務(wù)新增了這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)，再次讀取發(fā)現(xiàn)倆次得到的結(jié)果不一致。

MVCC在Innodb存儲(chǔ)引擎的實(shí)現(xiàn)主要是為了提高數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)能力，用更好的方式去處理讀--寫沖突，同時(shí)做到不加鎖、非阻塞并發(fā)讀寫。

mvcc可以解決臟讀，不可重復(fù)讀，mvcc使用快照讀解決了部分幻讀問題，但是在修改時(shí)還是使用當(dāng)前讀，所以還是存在幻讀問題，幻讀問題最終就是使用間隙鎖解決。

四、當(dāng)前讀、快照讀

在了解MVCC是如何解決事務(wù)并發(fā)帶來的問題之前，需要先明白倆個(gè)概念，當(dāng)前讀、快照讀。

1. 當(dāng)前讀

給讀操作加上共享鎖、排它鎖，DML操作加上排它鎖，這些操作就是當(dāng)前讀。

共享鎖、排它鎖也被稱之為讀鎖、寫鎖。

共享鎖與共享鎖是共存的，但是要修改、添加、刪除時(shí)，必須等到共享鎖釋放才可進(jìn)行操作。

因?yàn)樵贗nnodb存儲(chǔ)引擎中，DML操作都會(huì)隱式添加排它鎖。

所以說當(dāng)前讀所讀取的記錄就是最新的記錄，讀取數(shù)據(jù)時(shí)加上鎖，保證其它事務(wù)不能修改當(dāng)前記錄。

2. 快照讀

如果你看到這里就默認(rèn)你對(duì)隔離級(jí)別有一定的了解哈！

快照讀的前提是隔離級(jí)別不是串行級(jí)別，串行級(jí)別的快照讀會(huì)退化成當(dāng)前讀。

快照讀的出現(xiàn)旨在提高事務(wù)并發(fā)性，其實(shí)現(xiàn)基于本文的主角MVCC即多版本控制器。

MVCC可以認(rèn)為是行鎖的一個(gè)變種，但是它在很多情況下避免了加鎖操作。

所以說快照讀的數(shù)據(jù)有可能不是最新的，而是之前版本的數(shù)據(jù)。

為什么要提到快照讀呢！因?yàn)閞ead-view就是通過快照讀生成的，為了防止后文概念模糊，所以在這里進(jìn)行說明。

3. 如何區(qū)分當(dāng)前讀、快照讀

不加鎖的簡(jiǎn)單的select都屬于快照讀。

select id name user where id = 1;

與之對(duì)應(yīng)的則是當(dāng)前讀，給select加上共享鎖、排它鎖。

select id name from user where id = 1 lock in share mode;

select id name from user where id = 1 for update;

五、MVCC實(shí)現(xiàn)三大要素

終于來到本文最重要的部分，前邊的敘述都是為了給原理這一塊做鋪墊。

在這之前需要知道MVCC只在REPEATABLE READ（可重復(fù)讀） 和 READ COMMITTED（已讀提交）這倆種隔離級(jí)別下適用。

MVCC實(shí)現(xiàn)原理是由倆個(gè)隱式字段、undo日志、Read view來實(shí)現(xiàn)的。

1. 隱式字段

在Innodb存儲(chǔ)引擎中，在有聚簇索引的情況下每一行記錄中都會(huì)隱藏倆個(gè)字段，如果沒有聚簇索引則還有一個(gè)6byte的隱藏主鍵。

這倆個(gè)隱藏列一個(gè)記錄的是何時(shí)被創(chuàng)建的，一個(gè)記錄的是什么時(shí)候被刪除。

這里不要理解為是記錄的是時(shí)間，存儲(chǔ)的是事務(wù)ID。

倆個(gè)隱式字段為DB_TRX_ID,DB_ROLL_PTR，沒有聚簇索引還會(huì)有DB_ROW_ID這個(gè)字段。

• DB_TRX_ID：記錄創(chuàng)建這條數(shù)據(jù)上次修改它的事務(wù) ID

• DB_ROLL_PTR：回滾指針，指向這條記錄的上一個(gè)版本

隱式字段實(shí)際還有一個(gè)delete flag字段，即記錄被更新或刪除，這里的刪除并不代表真的刪除，而是將這條記錄的delete flag改為true（這里埋下一個(gè)伏筆，數(shù)據(jù)庫(kù)的刪除是真的刪除嗎？）

2. undo log（回滾日志）

之前對(duì)undo log的作用只提到了回滾操作實(shí)現(xiàn)原子性，現(xiàn)在需要知道的另一個(gè)作用就是實(shí)現(xiàn)MVCC多版本控制器。

undo log細(xì)分為倆種，insert時(shí)產(chǎn)生的undo log、update，delete時(shí)產(chǎn)生的undo log

在Innodb中insert產(chǎn)生的undo log在提交事務(wù)之后就會(huì)被刪除，因?yàn)樾虏迦氲臄?shù)據(jù)沒有歷史版本，所以無需維護(hù)undo log。

update和delete操作產(chǎn)生的undo log都屬于一種類型，在事務(wù)回滾時(shí)需要，而且在快照讀時(shí)也需要，則需要維護(hù)多個(gè)版本信息。只有在快照讀和事務(wù)回滾不涉及該日志時(shí)，對(duì)應(yīng)的日志才會(huì)被purge線程統(tǒng)一刪除。

purge線程會(huì)清理undo log的歷史版本，同樣也會(huì)清理del flag標(biāo)記的記錄。

undo log在mvcc中的作用

寫到這里關(guān)于undo log在mvcc中的作用估計(jì)還是蒙圈的。

undo log保存的是一個(gè)版本鏈，也就是使用DB_ROLL_PTR這個(gè)字段來連接的。

當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)執(zhí)行一個(gè)select語句時(shí)會(huì)產(chǎn)生一致性視圖read view。

那么這個(gè)read view是由查詢時(shí)所有未提交事務(wù)ID組成的數(shù)組，數(shù)組中最小的事務(wù)ID為min_id和已創(chuàng)建的最大事務(wù)ID為max_id組成，查詢的數(shù)據(jù)結(jié)果需要跟read-view做比較從而得到快照結(jié)果。

所以說undo log在mvcc中的作用就是為了根據(jù)存儲(chǔ)的事務(wù)ID和一致性視圖做對(duì)比，從而得到快照結(jié)果。

3. undo log底層實(shí)現(xiàn)

假設(shè)一開始的數(shù)據(jù)為下圖

此時(shí)執(zhí)行了一條更新的SQL語句update user set name = 'niuniu where id = 1' ,那么undo log的記錄就會(huì)發(fā)生變化

也就是說當(dāng)執(zhí)行一條更新語句時(shí)會(huì)把之前的原有數(shù)據(jù)拷貝到undo log日志中。

同時(shí)你可以看見最新的一條記錄在末尾處連接了一條線，也就是說DB_ROLL_PTR記錄的就是存放在undo log日志的指針地址。

最終有可能需要通過指針來找到歷史數(shù)據(jù)。

4. read-view

當(dāng)執(zhí)行SQL語句查詢時(shí)會(huì)產(chǎn)生一致性視圖，也就是read-view，它是由查詢的那一時(shí)間所有未提交事務(wù)ID組成的數(shù)組，和已經(jīng)創(chuàng)建的最大事務(wù)ID組成的。

在這個(gè)數(shù)組中最小的事務(wù)ID被稱之為min_id，最大事務(wù)ID被稱之為max_id，查詢的數(shù)據(jù)結(jié)果要根據(jù)read-view做對(duì)比從而得到快照結(jié)果。

于是就產(chǎn)生了以下的對(duì)比規(guī)則，這個(gè)規(guī)則就是使用當(dāng)前的記錄的trx_id跟read-view進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比規(guī)則如下。

5. 版本鏈對(duì)比規(guī)則

如果落在trx_id<min_id，表示此版本是已經(jīng)提交的事務(wù)生成的，由于事務(wù)已經(jīng)提交所以數(shù)據(jù)是可見的

如果落在trx_id>max_id，表示此版本是由將來啟動(dòng)的事務(wù)生成的，是肯定不可見的

若在min_id<=trx_id<=max_id時(shí)

• 如果row的trx_id在數(shù)組中，表示此版本是由還沒提交的事務(wù)生成的，不可見，但是當(dāng)前自己的事務(wù)是可見的

• 如果row的trx_id不在數(shù)組中，表明是提交的事務(wù)生成了該版本，可見

在這里還有一個(gè)特殊情況那就是對(duì)于已經(jīng)刪除的數(shù)據(jù)，在之前的undo log日志講述時(shí)說了update和delete是同一種類型的undo log，同樣也可以認(rèn)為delete就是update的特殊情況。

當(dāng)刪除一條數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將版本鏈上最新的數(shù)據(jù)復(fù)制一份，然后將trx_id修改為刪除時(shí)的trx_id，同時(shí)在該記錄的頭信息中存在一個(gè)delete flag標(biāo)記，將這個(gè)標(biāo)記寫上true，用來表示當(dāng)前記錄已經(jīng)刪除。

在查詢時(shí)按照版本鏈的規(guī)則查詢到對(duì)應(yīng)的記錄，如果delete flag標(biāo)記位為true，意味著數(shù)據(jù)已經(jīng)被刪除，則不返回?cái)?shù)據(jù)。

如果你對(duì)這里的read-view的生成和版本鏈對(duì)比規(guī)則不懂，不要著急，也不要在這里浪費(fèi)時(shí)間，請(qǐng)繼續(xù)往下看，咔咔會(huì)使用一個(gè)簡(jiǎn)單的案例和一個(gè)復(fù)雜的案例給大家重現(xiàn)上述的規(guī)則。

六、MVCC底層原理

案例一

下圖是準(zhǔn)備的素材，這里應(yīng)該都理解select 返回的結(jié)果為niuniu，即事務(wù)102修改后的結(jié)果

從上圖中可以看到有三個(gè)事務(wù)正在進(jìn)行。

事務(wù)ID為100、101是修改的其它表，只有事務(wù)ID為102修改的需要查詢的這張表。

接下來看看select這一列查詢返回的結(jié)果是不是就是事務(wù)ID為102修改的結(jié)果。

此時(shí)生成的read-view為[100,101],102

那么現(xiàn)在就可以返回去看一下read-view規(guī)則，在這里事務(wù)ID100就是min_id，事務(wù)ID102就是max_id。

這個(gè) select語句返回結(jié)果肯定是 niuniu。

那么接下來看一下在MVCC中是如何查找數(shù)據(jù)的。

當(dāng)前版本鏈。

那么就會(huì)拿著trx_id 為102進(jìn)行比對(duì)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)102就是max_id

然后你再看一下版本鏈的對(duì)比規(guī)則中第三種情況

如果落在min_id<=trx_id<=max_id會(huì)存在倆種情況

此時(shí)信息就已經(jīng)非常明確了，事務(wù)ID102是沒有在數(shù)組中的，所以表示這個(gè)版本是已經(jīng)提交的事務(wù)生成的，那么就是可見的唄！

毫無疑問查詢會(huì)返回niuniu這個(gè)值

先通過這個(gè)簡(jiǎn)單的案例讓你對(duì)版本鏈有一個(gè)簡(jiǎn)單的理解，接下來將使用一個(gè)比較繁瑣的案例再來跟大家演示一遍。

案例二

本例要求知道 select的第二個(gè)查詢結(jié)果。深黑色字體。

同樣是在kaka那一條記錄的基礎(chǔ)上。

當(dāng)事務(wù)ID100兩次更新后，版本鏈也會(huì)改變，現(xiàn)在的版本鏈如下圖，紅色部分為最新數(shù)據(jù)，藍(lán)色數(shù)據(jù)為undo log的版本鏈數(shù)據(jù)。

對(duì)于此時(shí)生成的read-view你會(huì)有什么疑問，在RR級(jí)別也就是可重復(fù)讀的隔離級(jí)別下。

當(dāng)在一個(gè)事務(wù)下執(zhí)行查詢時(shí)，所有的read-view都是沿用的第一條查詢語句生成的。

那此時(shí)的read-view也就是[100,101],102

看一下底層查找步驟

• 目前數(shù)據(jù)的事務(wù)ID為100

• 根據(jù)規(guī)則會(huì)落在min_id<=trx_id<=max_id這個(gè)區(qū)間

• 并且當(dāng)前行的事務(wù)ID100是在read-view的數(shù)組中的，表示此時(shí)事務(wù)還沒有提交則不可見

• 繼續(xù)在版本鏈中往下尋找，此時(shí)找到的事務(wù)ID還是100，跟上述流程一致

• 通過查找版本鏈，將發(fā)現(xiàn)事務(wù) ID為102

• 102是read-view的max_id，同樣也會(huì)落在min_id<=trx_id<=max_id這個(gè)區(qū)間，但是跟之前不同的是事務(wù)102是沒有在數(shù)組中的，表示這個(gè)版本事務(wù)已經(jīng)提交了所以是可見的

• 最后返回的是 niuniu

案例三

為了讓大家體驗(yàn)一下可重復(fù)讀級(jí)別生成的read-view是根據(jù)在同一事務(wù)中第一條快照讀產(chǎn)生的，再來看一個(gè)案例

此時(shí)的事務(wù)ID101也再對(duì)數(shù)據(jù)更新兩次，然后在進(jìn)行查詢看一下會(huì)返回什么值

經(jīng)過案例一、案例二的熟悉現(xiàn)在對(duì)undo log的版本鏈和對(duì)比規(guī)則已經(jīng)有了一定的了解了吧！

案例三就不在那么詳細(xì)的說明了。

此時(shí)的版本鏈如下

此時(shí)的read-view依然為[100,101],102。

那么首先會(huì)根據(jù)事務(wù)101去版本鏈對(duì)比，事務(wù)101和事務(wù)100都會(huì)落在min_id<=trx_id<=max_id這個(gè)區(qū)間，并且還都在數(shù)組中，所以數(shù)據(jù)是不可見的。

那么繼續(xù)往版本鏈中尋找就會(huì)遇到事務(wù)102，這個(gè)是最大的事務(wù)ID并且不在數(shù)組中，所以是可見的。

于是最終的返回結(jié)果還是niuniu。

案例四

可以看到個(gè)案例三的圖不同的是新增了一個(gè)查詢語句，那么假設(shè)這倆條語句執(zhí)行的時(shí)間都是一致的，它們返回的結(jié)果會(huì)相同嗎？

案例三查詢到的值為niuniu

其實(shí)現(xiàn)在版本鏈跟案例三也是一致的

那么來梳理一下尋找過程

• 首先這里的read-view發(fā)生了變化，此時(shí)的read-view為[101],102

• 拿著當(dāng)前的事務(wù)ID101跟版本鏈規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，落盤在min_id<=trx_id<=max_id，并且在數(shù)組中，則數(shù)據(jù)不可見

• 然后進(jìn)入版本鏈，找到下一個(gè)數(shù)據(jù)的事務(wù) ID，還是101，與上一個(gè)一致

• 接下來是事務(wù)ID100

• 事務(wù)ID100是落在trx_id<min_id，表示此版本是已經(jīng)提交的事務(wù)生成的，由于事務(wù)已經(jīng)提交所以數(shù)據(jù)是可見的

• 所以最終返回結(jié)果為niuniu2

小結(jié)

在同一個(gè)事務(wù)中進(jìn)行查詢，會(huì)沿用第一次查詢語句生成的read-view（前提是隔離級(jí)別是在可重復(fù)讀）

通過以上的四個(gè)案例，在版本鏈尋找過程中，可以總結(jié)出一個(gè)小技巧

根據(jù)這個(gè)小技巧你可以很快的得知此版本是否可見。

• 如果當(dāng)前的事務(wù)ID在綠色部分，是已經(jīng)提交事務(wù)，則數(shù)據(jù)可見

• 如果當(dāng)前的事務(wù)ID在藍(lán)色部分，會(huì)有倆種情況，如果當(dāng)前事務(wù)ID在read-view數(shù)組內(nèi)，是沒有提交的事務(wù)不可見，如果不在數(shù)組內(nèi)數(shù)據(jù)可見

• 如果落在紅色部分，則不考慮，對(duì)于未來的事情不去想即可。

“MVCC實(shí)現(xiàn)原理是什么”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！