MVCC实现原理之ReadView(一步到位)

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yd_249383650 发表于 2023/03/23 11:22:56 2023/03/23
【摘要】 ​MVCC 的实现依赖于:隐藏字段、Undo Log、Read View。什么是ReadView  Read View是一个数据库的内部快照,该快照被用于InnoDB存储引擎中的MVCC机制。简单点说,Read View就是一个快照,保存着数据库某个时刻的数据信息。Read View会根据事务的隔离级别决定在某个事务开始时,该事务能看到什么信息。就是说通过Read View,事务可以知道此时...


MVCC 的实现依赖于:隐藏字段、Undo Log、Read View。


什么是ReadView

  Read View是一个数据库的内部快照,该快照被用于InnoDB存储引擎中的MVCC机制。简单点说,Read View就是一个快照,保存着数据库某个时刻的数据信息。Read View会根据事务的隔离级别决定在某个事务开始时,该事务能看到什么信息。就是说通过Read View,事务可以知道此时此刻能看到哪个版本的数据记录(有可能不是最新版本的,也有可能是最新版本的)。可重复读、读已提交、读未提交,这几个隔离级别都会使用Read View。

设计思路 

使用 READ UNCOMMITTED 隔离级别的事务,由于可以读到未提交事务修改过的记录,所以直接读取记录 的最新版本就好了。

使用 SERIALIZABLE 隔离级别的事务,InnoDB规定使用加锁的方式来访问记录。

使用 READ COMMITTED 和 REPEATABLE READ 隔离级别的事务,都必须保证读到 已经提交了的 事务修改 过的记录。假如另一个事务已经修改了记录但是尚未提交,是不能直接读取最新版本的记录的,核心问 题就是需要判断一下版本链中的哪个版本是当前事务可见的,这是ReadView要解决的主要问题。

这个ReadView中主要包含4个比较重要的内容,分别如下:

1. creator_trx_id ,创建这个 Read View 的事务 ID。

说明:只有在对表中的记录做改动时(执行INSERT、DELETE、UPDATE这些语句时)才会为 事务分配事务id,否则在一个只读事务中的事务id值都默认为0。

2. trx_ids ,表示在生成ReadView时当前系统中活跃的读写事务的 事务id列表 。  

3. up_limit_id ,活跃的事务中最小的事务 ID。

4. low_limit_id ,表示生成ReadView时系统中应该分配给下一个事务的 id 值。low_limit_id 是系 统最大的事务id值,这里要注意是系统中的事务id,需要区别于正在活跃的事务ID。


注意:low_limit_id并不是trx_ids中的最大值,事务id是递增分配的。比如,现在有id为1,

2,3这三个事务,之后id为3的事务提交了。那么一个新的读事务在生成ReadView时,

trx_ids就包括1和2,up_limit_id的值就是1,low_limit_id的值就是4。

ReadView的规则 

有了这个ReadView,这样在访问某条记录时,只需要按照下边的步骤判断记录的某个版本是否可见。

如果被访问版本的trx_id属性值与ReadView中的 creator_trx_id 值相同,意味着当前事务在访问 它自己修改过的记录,所以该版本可以被当前事务访问。

如果被访问版本的trx_id属性值小于ReadView中的 up_limit_id 值,表明生成该版本的事务在当前 事务生成ReadView前已经提交,所以该版本可以被当前事务访问。

如果被访问版本的trx_id属性值大于或等于ReadView中的 low_limit_id 值,表明生成该版本的事 务在当前事务生成ReadView后才开启,所以该版本不可以被当前事务访问。


如果被访问版本的trx_id属性值在ReadView的 up_limit_id 和 low_limit_id 之间,那就需要判 断一下trx_id属性值是不是在 trx_ids 列表中。

如果在,说明创建ReadView时生成该版本的事务还是活跃的,该版本不可以被访问。


如果不在,说明创建ReadView时生成该版本的事务已经被提交,该版本可以被访问。


MVCC整体操作流程 


了解了这些概念之后,我们来看下当查询一条记录的时候,系统如何通过MVCC找到它:

1. 首先获取事务自己的版本号,也就是事务 ID;

2. 获取 ReadView;

3. 查询得到的数据,然后与 ReadView 中的事务版本号进行比较;

4. 如果不符合 ReadView 规则,就需要从 Undo Log 中获取历史快照;

5. 最后返回符合规则的数据。 在隔离级别为读已提交(Read Committed)时,一个事务中的每一次 SELECT 查询都会重新获取一次Read View。

如表所示:

编辑

注意,此时同样的查询语句都会重新获取一次 Read View,这时如果 Read View 不同,就可能产生 不可重复读或者幻读的情况。  

当隔离级别为可重复读的时候,就避免了不可重复读,这是因为一个事务只在第一次 SELECT 的时候会 获取一次 Read View,而后面所有的 SELECT 都会复用这个 Read View,如下表所示:  

编辑

举例说明 

READ COMMITTED隔离级别下

READ COMMITTED :每次读取数据前都生成一个ReadView。

现在有两个 事务id 分别为 10 、 20 的事务在执行:

# Transaction 10

BEGIN;

UPDATE student SET name="李四" WHERE id=1;

UPDATE student SET name="王五" WHERE id=1;

# Transaction 20

BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录

...

此刻,表student 中 id 为 1 的记录得到的版本链表如下所示:  

编辑

假设现在有一个使用 READ COMMITTED 隔离级别的事务开始执行:  

# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务

BEGIN;

# SELECT1:Transaction 10、20未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值为'张三'

之后,我们把 事务id 为 10 的事务提交一下:  

# Transaction 10

BEGIN;

UPDATE student SET name="李四" WHERE id=1;

UPDATE student SET name="王五" WHERE id=1;

COMMIT;

然后再到 事务id 为 20 的事务中更新一下表 student 中 id 为 1 的记录: 

# Transaction 20

BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录

...

UPDATE student SET name="钱七" WHERE id=1; 

UPDATE student SET name="宋八" WHERE id=1;

此刻,表student中 id 为 1 的记录的版本链就长这样:  

编辑

然后再到刚才使用 READ COMMITTED 隔离级别的事务中继续查找这个 id 为 1 的记录,如下:  

# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务

BEGIN;

# SELECT1:Transaction 10、20均未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值为'张三'
# SELECT2:Transaction 10提交,Transaction 20未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值为'王五'

REPEATABLE READ隔离级别下 

使用 REPEATABLE READ 隔离级别的事务来说,只会在第一次执行查询语句时生成一个 ReadView ,之 后的查询就不会重复生成了。

比如,系统里有两个 事务id 分别为 10 、 20 的事务在执行:

# Transaction 10

BEGIN;

UPDATE student SET name="李四" WHERE id=1;

UPDATE student SET name="王五" WHERE id=1;

# Transaction 20

BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录

...

此刻,表student 中 id 为 1 的记录得到的版本链表如下所示:  

编辑

假设现在有一个使用 REPEATABLE READ 隔离级别的事务开始执行:  

# 使用REPEATABLE READ隔离级别的事务

BEGIN;

# SELECT1:Transaction 10、20未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值为'张三'

之后,我们把 事务id 为 10 的事务提交一下,就像这样:  

# Transaction 10

BEGIN;

UPDATE student SET name="李四" WHERE id=1;

UPDATE student SET name="王五" WHERE id=1;

COMMIT;

然后再到 事务id 为 20 的事务中更新一下表 student 中 id 为 1 的记录:  

# Transaction 20

BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录

...

UPDATE student SET name="钱七" WHERE id=1; 

UPDATE student SET name="宋八" WHERE id=1;

此刻,表student 中 id 为 1 的记录的版本链长这样:  

编辑

然后再到刚才使用 REPEATABLE READ 隔离级别的事务中继续查找这个 id 为 1 的记录,如下:  

# 使用REPEATABLE READ隔离级别的事务

BEGIN;

# SELECT1:Transaction 10、20均未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值为'张三'
# SELECT2:Transaction 10提交,Transaction 20未提交

SELECT * FROM student WHERE id = 1; # 得到的列name的值仍为'张三'

5.3 如何解决幻读 

接下来说明InnoDB 是如何解决幻读的。

假设现在表 student 中只有一条数据,数据内容中,主键 id=1,隐藏的 trx_id=10,它的 undo log 如下图 所示。

编辑

假设现在有事务 A 和事务 B 并发执行, 事务 A 的事务 id 为 20 , 事务 B 的事务 id 为 30 。 步骤1:事务 A 开始第一次查询数据,查询的 SQL 语句如下。  

select * from student where id >= 1;

在开始查询之前,MySQL 会为事务 A 产生一个 ReadView,此时 ReadView 的内容如下: trx_ids= [20,30] , up_limit_id=20 , low_limit_id=31 , creator_trx_id=20 。  

由于此时表 student 中只有一条数据,且符合 where id>=1 条件,因此会查询出来。然后根据 ReadView机制,发现该行数据的trx_id=10,小于事务 A 的 ReadView 里 up_limit_id,这表示这条数据是事务 A 开 启之前,其他事务就已经提交了的数据,因此事务 A 可以读取到。

结论:事务 A 的第一次查询,能读取到一条数据,id=1。

步骤2:接着事务 B(trx_id=30),往表 student 中新插入两条数据,并提交事务。

insert into student(id,name) values(2,'李四');

insert into student(id,name) values(3,'王五');

此时表student 中就有三条数据了,对应的 undo 如下图所示:  

编辑

步骤3:接着事务 A 开启第二次查询,根据可重复读隔离级别的规则,此时事务 A 并不会再重新生成ReadView。此时表 student 中的 3 条数据都满足 where id>=1 的条件,因此会先查出来。然后根据ReadView 机制,判断每条数据是不是都可以被事务 A 看到。

1)首先 id=1 的这条数据,前面已经说过了,可以被事务 A 看到。

2)然后是 id=2 的数据,它的 trx_id=30,此时事务 A 发现,这个值处于 up_limit_id 和 low_limit_id 之 间,因此还需要再判断 30 是否处于 trx_ids 数组内。由于事务 A 的 trx_ids=[20,30],因此在数组内,这表 示 id=2 的这条数据是与事务 A 在同一时刻启动的其他事务提交的,所以这条数据不能让事务 A 看到。

3)同理,id=3 的这条数据,trx_id 也为 30,因此也不能被事务 A 看见。

编辑

结论:最终事务 A 的第二次查询,只能查询出 id=1 的这条数据。这和事务 A 的第一次查询的结果是一样 的,因此没有出现幻读现象,所以说在 MySQL 的可重复读隔离级别下,不存在幻读问题。  

总结 

这里介绍了 MVCC 在 READ COMMITTD 、 REPEATABLE READ 这两种隔离级别的事务在执行快照读操作时 访问记录的版本链的过程。这样使不同事务的 读-写 、 写-读 操作并发执行,从而提升系统性能。

核心点在于 ReadView 的原理, READ COMMITTD 、 REPEATABLE READ 这两个隔离级别的一个很大不同 就是生成ReadView的时机不同:


READ COMMITTD 在每一次进行普通SELECT操作前都会生成一个ReadView

REPEATABLE READ 只在第一次进行普通SELECT操作前生成一个ReadView,之后的查询操作都重复 使用这个ReadView就好了。


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