揭秘MySQL多版本并发控制实现原理

 MySQL 中多版本并发控制（MVCC），是现代数据库引擎实现中常用的处理读写冲突的手段，MVCC 作为 MySQL 高级应用特性，目的在于提高数据库高并发场景下的吞吐性能。

一、MVCC出现背景是什么？

• 脏读：一个事务读取到了另外一个事务没有提交的数据；

• 不可重复读： 在同一事务中，两次读取同一数据，得到内容不同；

• 幻读： 同一事务中，用同样的操作读取两次，得到的记录数不相同。

在 MySQL 中， 默认的隔离级别是可重复读 ，可以解决脏读和不可重复读的问题，但不能解决幻读问题。如果我们想要解决幻读问题，就需要采用串行化的方式，也就是将隔离级别提升到最高，但这样一来就会大幅降低数据库的事务并发能力。

而MVCC就是通过乐观锁的方式来解决不可重复读和幻读问题，它可以在大多数情况下替代行级锁，降低系统的开销。

MySQL 并发事务会引起更新丢失问题，解决办法是锁，主要分两类：

• 乐观锁：

  其实现如同它的名字一样，是假设比较好的情况。

  每次取数据的时候都认为他人不会对其修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号机制和CAS算法实现。

• 悲观锁：

  悲观锁也如同它的名字一样，总是假设比较坏的情况，每次取数据的时候都认为他人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞直到它拿到锁（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程）。

二、什么是MVCC，它解决了什么问题？

MVCC 是通过数据行的多个版本管理来实现数据库的并发控制，简单来说它的思想就是保存数据的历史版本。

我们可以通过比较版本号决定数据是否显示出来（具体的规则后面会介绍到），读取数据的时候不需要加锁也可以保证事务的隔离效果。

通过 MVCC 我们可以解决以下几个问题：

（1）读写之间阻塞的问题，通过 MVCC 可以让读写互相不阻塞，即读不阻塞写，写不阻塞读，这样就可以提升事务并发处理能力。

（2）降低了死锁的概率。这是因为 MVCC 采用了乐观锁的方式，读取数据时并不需要加锁，对于写操作，也只锁定必要的行。

（3）解决一致性读的问题。一致性读也被称为快照读，当我们查询数据库在某个时间点的快照时，只能看到这个时间点之前事务提交更新的结果，而不能看到这个时间点之后事务提交的更新结果。

解释一下可能难以理解的几个词汇：

• 快照读：

  读取的是快照数据，不加锁的简单的SELECT都属于快照读（只是普通的读操作）。

• 当前读：

  当前读就是读取最新数据，而不是历史版本的数据。

  加锁的SELECT，或者对数据进行增删改都会进行当前读（包括加锁的读取和DML操作）。

三、应用举例分析

为了更好地让大家理解MVCC，我们用一个示例场景来说明。

用户 A 和用户 B 之间进行转账，此时数据库管理员想要查询 user_balance 表中的总金额，两个场景存在并发情况，在没有MVCC的情况下，会出现哪些问题呢。

四、InnoDB如何实现MVCC？

当查询一条记录的时候，执行流程如下：

1. 首先获取事务自己的版本号，也就是事务 ID；

2. 获取 Read View；

3. 查询得到的数据，然后与 Read View 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。

相关概念

1. 事务版本号

一个自增长的事务ID，用于标记事务执行的先后顺序。

2. Read View

在 MVCC 机制中，多个事务对同一个行记录进行更新会产生多个历史快照，这些历史快照保存在 Undo Log 里。如果一个事务想要查询这个行记录，需要读取哪个版本的行记录呢？

这时就需要用到 Read View 了，它帮我们解决了行的可见性问题。Read View 保存了当前事务开启时所有活跃（还没有提交）的事务列表，换个角度，可以理解为 Read View 保存了不应该让这个事务看到的其他的事务 ID 列表。

• up_limit_id，活跃的事务中最小的事务 ID；

• trx_ids，系统当前正在活跃的事务 ID 集合；

• low_limit_id，活跃的事务中最大的事务 ID；

• creator_trx_id，创建这个 Read View 的事务 ID。

3. 行记录的隐藏列

InnoDB 的叶子节点段存储了数据页，数据页中保存了行记录，在这些行记录中有一些重要的隐藏字段：

• DB_ROW_ID ：

  6-byte，记录操作该数据事务的事务ID；

• DB_TRX_ID ：

  6-byte，当创建表没有合适的索引作为聚集索引时，会用该隐藏ID创建聚集索引；

• DB_ROLL_PTR ：

  7-byte，回滚指针，指向上一个版本数据在undo log 里的位置指针；

4. 聚集索引

聚集索引是指数据库表行中数据的物理顺序与键值的逻辑（索引）顺序相同。一个表只能有一个聚集索引，因为一个表的物理顺序只有一种情况，所以，对应的聚集索引只能有一个。

5. Undo Log

InnoDB 将行记录快照保存在 Undo Log，可以在回滚段中找到它们，主要用于记录数据被修改之前的日志，在对表信息做修改之前先会把数据拷贝到Undo Log里，当事务进行回滚时可以通过Undo Log里的日志进行数据还原。

我们同时开启事务 A 和事务 B，先在事务 A 中进行某个条件范围的查询，读取的时候采用排它锁，在事务 B 中增加一条符合该条件范围的数据，并进行提交，然后我们在事务 A 中再次查询该条件范围的数据，就会发现结果集中多出一个符合条件的数据，这样就出现了幻读。

出现幻读的原因是在读已提交的情况下，InnoDB 只采用记录锁（Record Locking）。

InnoDB 三种行锁的方式：

• 记录锁：

  针对单个行记录添加锁。

• 间隙锁（Gap Locking）：

  可以锁住一个范围（索引之间的空隙），但不包括记录本身。

  采用间隙锁的方式可以防止幻读情况的产生。

• Next-Key 锁：

  锁住一个范围，同时锁定记录本身，相当于间隙锁 + 记录锁，可以解决幻读的问题。

2、在可重复读的情况下，InnoDB 可以通过 Next-Key 锁 +MVCC 来解决幻读问题。

想插入球员艾利克斯·伦（身高 2.16 米）的时候，事务 B 会超时，无法插入该数据。

这是因为采用了 Next-Key 锁，会将 height>2.08 的范围都进行锁定，就无法插入符合这个范围的数据了。然后事务 A 重新进行条件范围的查询，就不会出现幻读的情况。

六、总结

MVCC 的核心就是 Undo Log+ Read View。

• “MV”就是通过 Undo Log 来保存数据的历史版本，实现多版本的管理；

• “CC”是通过 Read View 来实现管理，通过 Read View 原则来决定数据是否显示。

同时针对不同的隔离级别，Read View 的生成策略不同，也就实现了不同的隔离级别。