图文结合带你搞懂InnoDB MVCC

fifalv
发布于 2023-1-18 11:22
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  • 前情提要
  • 当前读
  • 快照读
  • 什么是MVCC
  • 三个隐藏字段
  • Undo Log回滚日志
  • MVCC版本链
  • ReadView读视图
  • 不同隔离级别下MVCC分析
  • READ-COMMITTED隔离级别
  • REPEATABLE-READ隔离级别

前情提要

事务有四大特性​​ACID​​​分别是:​​原子性(Atomicity)​​​、​​一致性(Consistency)​​​、​​隔离性(Isolation)​​​、​​持久性(Durability)​


其中隔离性是通过数据库的​​锁​​​加上​​MVCC(多版本并发控制)​​来保证的。


在介绍MVCC之前先来了解一下当前读和快照读。

当前读

当前读读取的是记录的最新版本。同时在读取的时候还要保证其他的并发事务不能更改当前记录,那么当前读会对它要读取的记录进行加锁。不同的操作会加上不同类型的锁,如:​​SELECT ... LOCK IN SHARE MODE(共享锁)​​​,​​SELECT ... FOR UPDATE、UPDATE、INSERT、 DELETE(排他锁)​​。

快照读

简单的不加锁的SELECT就是快照读,快照读读取的是快照生成时的数据,不一定是最新的数据,它是不加锁的非阻塞读。而不同隔离级别下,创建快照的时机也不同:

  • ​READ-COMMITTED(读已提交)​​:事务每次SELECT时创建ReadView
  • ​REPEATABLE-READ(可重复读)​​:事务第一次SELECT时创建ReadView,后续一直使用

在MySQL默认隔离级别(REPEATABLE-READ)下,快照读保证了数据的可重复读。

什么是MVCC

MVCC全称​​Multi-Version Concurrency Control​​​,即多版本并发控制。它是一种并发控制的方法,它可以维护一个数据的多个版本,用更好的方式去处理读写冲突,做到即使有读写冲突也能不加锁。MySQL中MVCC的具体实现,还需要依赖于表中的​​三个隐藏字段​​​、​​Undo Log日志​​​以及​​ReadView​​。

三个隐藏字段

mysql> SHOW CREATE TABLE stu \G;
*************************** 1. row ***************************
       Table: stu
Create Table: CREATE TABLE `stu` (
  `id` int NOT NULL,
  `name` varchar(10) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)

mysql> SELECT * FROM stu;
+----+--------+
| id | name   |
+----+--------+
|  1 |   b    |
|  2 |   f    |
+----+--------+

当创建了上述这张表后,我们在查看表结构时只能看到id、name字段,实际上除了这两个字段外,InnoDB引擎还自动为我们添加了三个隐藏字段,见下表:

字段

含义

DB_TRX_ID

最近修改事务ID,记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID。

DB_ROLL_PTR

回滚指针,指向这条记录的上一个版本,用于配合Undo Log,指向上一个版本。

DB_ROW_ID

隐藏主键,如果表结构没有指定主键,将会生成该隐藏字段。

我们可以使用ibd2sdi工具来从表空间文件中提取序列化的字典信息(SDI),来验证一下这三个隐藏字段是否存在。

["ibd2sdi"
,
{
 "type": 1,
 "id": 402,
 "object":
  {
    "mysqld_version_id": 80025,
    "dd_version": 80023,
    "sdi_version": 80019,
    "dd_object_type": "Table",
    "dd_object": {
        "name": "stu",
        "mysql_version_id": 80025,
        "created": 20220919023413,
        "last_altered": 20220919023413,
        "hidden": 1,
        "options": "avg_row_length=0;encrypt_type=N;explicit_encryption=0;key_block_size=0;keys_disabled=0;pack_record=1;stats_auto_recalc=0;stats_sample_pages=0;",
        "columns": [
            {
                "name": "id",
                "type": 4,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 1,
···省略
            },
            {
                "name": "name",
                "type": 16,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 1,
···省略
            },
            {
                "name": "DB_TRX_ID", #最近修改事务ID
                "type": 10,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
···省略
            },
            {
                "name": "DB_ROLL_PTR", #回滚指针
                "type": 9,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
···省略
            }
        ],

注意:因为这张表里已经指定了主键为id列,所以不会生成隐藏主键DB_ROW_ID列。

Undo Log回滚日志

回滚日志,在增、改、删操作的时候产生的便于数据回滚的日志。当​​INSERT​​​操作的时候,产生的回滚日志在事务提交后可被​​立即删除​​​。而​​UPDATE​​​和​​DELETE​​​操作的时候,产生的Undo Log日志不仅在进行数据回滚时需要,在进行快照读时也需要,所以​​不会立即被删除​​。


Undo Log详情可见文章:​​图文结合带你搞定MySQL日志之Undo log(回滚日志)​

MVCC版本链

当有多个并发事务操作一行数据时,对这行数据的修改会产生多个版本,多个版本通过上述的一个隐藏字段​​DB_ROLL_PTR​​​回滚指针指向Undo Log数据地址形成一个链表,即​​MVCC版本链​​。

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ReadView读视图

ReadView读视图是快照读SQL执行时MVCC提取数据的依据,记录并维护系统当前活跃的事务(未提交的)id。

上面讲过Undo Log和MVCC版本链,一条数据经过多次修改会产生多个版本,而快照读是根据不同时机创建的快照获取数据的,那么快照读SQL在执行时该读取那个版本的数据就是靠ReadViw读视图来决定的。

ReadView读视图中包含了四个核心字段,也是读取数据的判断依据:

字段

含义

m_ids

当前活跃的事务ID集合

min_trx_id

最小活跃事务ID

max_trx_id

预分配事务ID,当前最大事务ID+1(因为事务ID是自增的)

creator_trx_id

ReadView创建者的事务ID

ReadView一共有四种匹配规则:

条件

能否访问

说明

trx_id == creatro_trx_id

可以访问该版本

成立,说明数据是当前这个事务更改的。

trx_id < min_trx_id

可以访问该版本

成立,说明数据已经提交了。

trx_id > max_trx_id

不可以访问该版本

成立,说明该事务是在ReadView生成后才开启的。

min_trx_id <= trx_id <= max_trx_id

如果trx_id不在m_ids中,那么可以访问该版本

成立,说明数据已经提交。

不同隔离级别下MVCC分析

READ-COMMITTED隔离级别

前面有提到过在READ-COMMITTED隔离级别下事务在每次快照读SQL执行时创建ReadView,每次创建的ReadView的四个字段对应的值也是不同的,所以在READ-COMMITTED隔离级别下每次快照读SQL获取的数据可能也是不同的。

下面通过一个READ-COMMITTED隔离级别下并发事务的案例来详细看看:

现有四个并发事务同时访问一条数据:

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在上述并发事务中,事务5查询了两次id为1的数据,因为当前的隔离级别设置为了​​READ-COMMITTED​​​,事务在​​每次快照读SQL执行时​​创建一个ReadView,每次生成的ReadView中的四个字段值都不同。那么三次快照读都会根据生成的ReadView中的字段进行规则匹配,从而决定返回的数据。接下来看看流程:

事务5第一次快照读解读

事务5第一次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图:

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在匹配版本数据前,先与表中数据进行匹配:

该数据对应的DB_TRX_ID为3,此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配:

  1. 首先是第一条规则​​db_trx_id == creator_trx_id​​,db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则​​db_trx_id < min_trx_id​​,db_trx_id(3)不小于min_trx_id(3)故不成立;
  3. 第三条规则​​db_trx_id > max_trx_id​​,db_trx_id(3)小于max_trx_id(6)故不成立;
  4. 第四条规则​​min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id​​,db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间,但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配,表中最新的数据无法匹配,故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配:

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  1. 第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3),该版本的数据满足匹配规则中的第二条,说明数据已经提交,此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。
事务5第二次快照读

因为当前事务的隔离级别为READ-COMMITTED(读已提交),所以在每次快照读的时候都会创建一个ReadView,所以事务5第二次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图:

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在匹配版本数据前,先与表中数据进行匹配:

该数据对应的DB_TRX_ID为4,此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配:

  1. 首先是第一条规则​​db_trx_id == creator_trx_id​​,db_trx_id(4)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则​​db_trx_id < min_trx_id​​,db_trx_id(4)不小于min_trx_id(4)故不成立;
  3. 第三条规则​​db_trx_id > max_trx_id​​,db_trx_id(4)小于max_trx_id(6)故不成立;
  4. 第四条规则​​min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id​​,db_trx_id(4)在min_trx(4)与max_trx_id(6)之间,但是同时处于m_ids(4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配,表中最新的数据无法匹配,故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配:

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  1. 第一条规则db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则db_trx_id(3)小于min_trx_id(4),该版本的数据满足匹配规则中的第二条,说明数据已经提交,此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。

REPEATABLE-READ级别

现在来看看REPEATABLE-READ可重复读隔离级别有什么不同的地方。同样,有四个并发事务同时访问一条数据:

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在上述并发事务中,事务5查询了两次id为1的数据,因为当前的隔离级别设置为了REPEATABLE-READ,事务在第一次快照读SQL执行时创建ReadView,后续该事务所有的快照读都复用该ReadView。接下来看看流程:

事务5第一次快照读解读

事务5第一次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图:

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在匹配版本数据前,先与表中数据进行匹配:

该数据对应的DB_TRX_ID为3,此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配:

  1. 首先是第一条规则​​db_trx_id == creator_trx_id​​,db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则​​db_trx_id < min_trx_id​​,db_trx_id(3)不小于min_trx_id(3)故不成立;
  3. 第三条规则​​db_trx_id > max_trx_id​​,db_trx_id(3)小于max_trx_id(6)故不成立;
  4. 第四条规则​​min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id​​,db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间,但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配,表中最新的数据无法匹配,故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配:

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  1. 第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3),该版本的数据满足匹配规则中的第二条,说明数据已经提交,此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。
事务5第二次快照读解读

因为当前事务的隔离级别为REPEATABLE-READ(可重复读),所以第二次快照读也会沿用第一次快照读时创建的ReadView,如下:

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在匹配版本数据前,先与表中数据进行匹配:

该数据对应的DB_TRX_ID为4,此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配:

  1. 首先是第一条规则​​db_trx_id == creator_trx_id​​,db_trx_id(4)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则​​db_trx_id < min_trx_id​​,db_trx_id(4)不小于min_trx_id(3)故不成立;
  3. 第三条规则​​db_trx_id > max_trx_id​​,db_trx_id(4)小于max_trx_id(6)故不成立;
  4. 第四条规则​​min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id​​,db_trx_id(4)在min_trx(4)与max_trx_id(6)之间,但是同时处于m_ids(4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配,表中最新的数据无法匹配,故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配:

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  1. 第一条规则db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则db_trx_id(3)不小于min_trx_id(4)故不成立;
  3. 第三条规则db_trx_id小于max_trx_id(6)故不成立;
  4. 第四条规则db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间,但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过第二次匹配,MVCC版本链中最上层的数据版本也无法匹配,故要与第二条版本进行匹配

与MVCC版本链中第二条版本进行匹配:

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  1. 第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立;
  2. 第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3),该版本的数据满足匹配规则中的第二条,说明数据已经提交,此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。


本文转载自公众号:GreatSQL社区

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