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這個問題是我當初在面天貓的時候，2面的面試官問我的，我之前已經(jīng)寫過mvcc的文章了，但是在看到我筆記的里的這個問題的時候我準備單獨理一遍，所以就有了這個文章。

現(xiàn)在，主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品基本都實現(xiàn)了MVCC的特性，快照在MVCC中起著重要的作用，代表某一時刻數(shù)據(jù)的版本，它是實現(xiàn)一致性讀的基礎(chǔ)。在更新操作沒提交前，數(shù)據(jù)的前鏡像存儲在Undo中，利用Undo可以實現(xiàn)一致性讀，事務(wù)回滾以及異?；謴?fù)等操作，下面就聊聊MySQL事務(wù)，MVCC，快照及一致讀的原理與實現(xiàn)。

MySQL中的事務(wù)

事務(wù)在RDBMS系統(tǒng)中概念基本都是一樣的，是由一組DML語句構(gòu)的工作單元，要么全部成功，要么全部失敗。

開發(fā)過程中，比較關(guān)心長事務(wù)，即包含DML語句多的工作單元，事務(wù)太長會導(dǎo)致一些錯誤，例如可能由于事務(wù)數(shù)據(jù)包大小超過參數(shù)max_allowed_packet設(shè)置會導(dǎo)致程序報錯，也可能有事務(wù)中某個SQL對應(yīng)接口報錯，導(dǎo)致整個服務(wù)調(diào)用失敗，在程序設(shè)計時，應(yīng)該考慮避免長事務(wù)帶來的業(yè)務(wù)影響。

事務(wù)的ACID

image-20201114221841801

原子性是事務(wù)隔離的基礎(chǔ)，隔離性和持久性是手段，最終目的是為了保持數(shù)據(jù)的一致性。

事務(wù)的并發(fā)問題

• 臟讀：事務(wù)A讀取了事務(wù)B未提交的數(shù)據(jù)。
• 不可重復(fù)度：事務(wù)A多次讀取同一份數(shù)據(jù)，事務(wù)B在此過程中對數(shù)據(jù)修改并提交，導(dǎo)致事務(wù)A多次讀取同一份數(shù)據(jù)的結(jié)果不一致。
• 幻讀：事務(wù)A修改數(shù)據(jù)的同時，事務(wù)B插入了一條數(shù)據(jù)，當事務(wù)A提交后發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)沒被修改，產(chǎn)生了幻覺。

不可重復(fù)讀側(cè)重于update操作，幻讀側(cè)重于insert或delete。解決不可重復(fù)讀的問題只需鎖住滿足條件的行，解決幻讀需要鎖表。

事務(wù)隔離級別

事務(wù)隔離是數(shù)據(jù)庫處理的基礎(chǔ)之一，隔離級別在多個事務(wù)同時進行更改和執(zhí)行查詢時，對性能與結(jié)果的可靠性、一致性和可再現(xiàn)性之間的平衡進行調(diào)整，InnoDB利用不同的鎖策略支持不同隔離級別。MySQL中有四種隔離級別，分別是讀未提交(READ UNCOMMITTED)，讀已提交(READ COMMITTED)，可重復(fù)讀(REPEATABLE READ)以及串行化(SERIALIZABLE)。

隔離級別	臟讀	不可重復(fù)讀	幻讀
READ UNCOMMITTED	Yes	Yes	Yes
READ COMMITTED	No	Yes	Yes
REPEATABLE READ	No	No	Yes
SERIALIZABLE	No	No	No

InnoDB并發(fā)控制

MVCC特性

InnonDB是一個支持行鎖的存儲引擎，為了提供更好支持的并發(fā)，使用了非鎖定讀，不需要等待訪問數(shù)據(jù)上的鎖釋放，而是讀取行的一個快照，該方法是通過InnonDB MVCC特性實現(xiàn)的。

MVCC是Multi-Version Concurrency Control的簡稱，即多版本并發(fā)控制，作用是讓事務(wù)在并行發(fā)生時，在一定隔離級別前提下，可以保證在某個事務(wù)中能實現(xiàn)一致性讀，也就是該事務(wù)啟動時根據(jù)某個條件讀取到的數(shù)據(jù)，直到事務(wù)結(jié)束時，再次執(zhí)行相同條件，還是讀到同一份數(shù)據(jù)，不會發(fā)生變化。

MVCC的好處

讀不加鎖，讀寫不沖突。在讀多寫少的OLTP應(yīng)用中，讀寫不沖突是非常重要的，可以增加系統(tǒng)的并發(fā)性能。

在MVCC中，有兩種讀操作：快照度和當前讀。

MVCC快照

MVCC內(nèi)部使用的一致性讀快照稱為Read View，在不同的隔離級別下，事務(wù)啟動時或者SQL語句開始時，看到的數(shù)據(jù)快照版本可能也不同，在RR、RC隔離級別下會用到 Read view。

InnoDB 里面每個事務(wù)有一個唯一的事務(wù)ID，稱為Transaction ID，它是在事務(wù)開始的時候向InnoDB的事務(wù)系統(tǒng)申請的，是按申請順序嚴格遞增的。而每行數(shù)據(jù)都有多個版本。每次事務(wù)更新數(shù)據(jù)的時候，都會生成一個新的數(shù)據(jù)版本Read View，并且把Transaction ID賦值給這個數(shù)據(jù)版本的事務(wù) ID，標記為 row_trx_id。同時舊的數(shù)據(jù)版本要保留，并且在新的數(shù)據(jù)版本中，能夠有信息可以直接拿到它,數(shù)據(jù)表中的一行記錄，其實可能有多個數(shù)據(jù)版本 ，每個版本有自己的 row_trx_id。

InnoDB行格式

目前InnoDB默認的行格式Dynamic，是Compat格式的增強版，記錄頭結(jié)構(gòu)信息占用5個字節(jié)，事務(wù)ID和回滾指針分別占用6和7個字節(jié)，行格式如下：

記錄頭結(jié)構(gòu)

項目	大小（bit）	描述
()	1	Unknown
()	1	Unknown
deleted_flag	1	數(shù)據(jù)行刪除標記
min_rec_flag	1	=1如果該記錄被預(yù)先被定義為最小的記錄
n_owned	4	擁有的記錄數(shù)
heap_no	13	索引堆中該條記錄的排序位置
record_type	3	記錄類型；000：普通，001：B+樹葉子節(jié)點，010：偽列Infinum，011：Supernum，1xx：保留
next_record	16	page中下一條記錄的相對位置
Transaction ID	48	記錄中的事務(wù)ID，固定6個字節(jié)
Rollback Pointer	56	回滾指針，固定7個字節(jié)

數(shù)據(jù)行存儲

 
 
 
 
  
  
  
  
#創(chuàng)建表 
  
  
  
  
mysql> create table store_users (id int not null auto_increment primary key comment '主鍵id',name varchar(20) not null default '' comment '姓名'); 
  
  
  
  
# 查看表狀態(tài)信息 
  
  
  
  
mysql> show table status like 'store_users'\G 
  
  
  
  
     Row_format: Dynamic    #默認行格式為Dynamic 
  
  
  
  
           Rows: 0          #行數(shù) 
  
  
  
  
 Avg_row_length: 0          #平均行長度 
  
  
  
  
    Data_length: 16384      #初始化段大小16K 
  
  
  
  
     
  
  
  
  
#開啟事務(wù)，插入數(shù)據(jù) 
  
  
  
  
mysql> begin; 
  
  
  
  
mysql> insert into store_users values(null, 'aaaaa'),(null, 'bbbbb'); 
  
  
  
  
#查看InnoDB分配的事務(wù)ID 
  
  
  
  
mysql> select trx_id from information_schema.innodb_trx\G 
  
  
  
  
trx_id: 8407246  #事務(wù)ID 
 
 
 

分析表的行頭信息以及隱藏的事務(wù)ID和回滾指針。

 
 
 
 
  
  
  
  
# 用Linux下的工具hexdump進行分析 
  
  
  
  
$ hexdump -C -v /usr/local/var/mysql/test/store_users.ibd > store_users.txt  
  
  
  
  
$ vi store_users.txt 
  
  
  
  
00010060  02 00 1b 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 03 00 0b 00 00  |...infimum......| 
  
  
  
  
00010070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  05 00 00 10 00 1c 80 00  |supremum........| 
  
  
  
  
00010080  00 01 00 00 00 80 48 ce  83 00 00 01 d8 01 10 61  |......H........a|   #Record Header信息 
  
  
  
  
00010090  61 61 61 61 05 00 00 18  ff d6 80 00 00 02 00 00  |aaaa............| 
  
  
  
  
000100a0  00 80 48 ce 83 00 00 01  d8 01 1d 62 62 62 62 62  |..H........bbbbb| 
  
  
  
  
000100b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................| 
 
 
 

• 10表示變長字段長度，只有一個varchar(20)沒有超過256字節(jié)，且沒有NULL值。
• 00代表NULL標志位，第一行沒有為NULL數(shù)據(jù)。
• 字符a的十六進制是61，即61 61 61 61 61代表的是字段值aaaaa
• 00 00 00 80 48 ce 6個字節(jié)就是Transaction ID，轉(zhuǎn)換成十進制8407246，正是上面information_schema.innodb_trx.trx_id列的值，trx_id: 8407246 。
• 83 00 00 01 d8 01 10 7個字節(jié)是Rollback Pointer。
• 1c 80 00 00 01 是5個字節(jié)，代表Record Header信息。

隔離級別與快照

REPEATABLE READ

默認的隔離級別，一致讀快照(Read View)是在第一次SELECT發(fā)起時建立，之后不會再發(fā)生變化。如果在同一個事務(wù)中發(fā)出多個非 鎖定SELECT語句，那么這些SELECT語句在事務(wù)提交前返回的結(jié)果是一致的。

在RR下快照Read View不是事務(wù)發(fā)起時創(chuàng)建，而是在第一個SELECT發(fā)起后創(chuàng)建。

READ COMMITTED

在READ COMMITTED讀已提交下，一致讀快照(Read View)是在每次SELECT后都會生成最新的Read View，即每次SELECT都能讀取到已COMMIT的數(shù)據(jù)，就會存在不可重復(fù)讀、幻讀 現(xiàn)象。

Undo回滾段

當開啟事務(wù)執(zhí)行更新語句(insert/update/deeldte)，會經(jīng)過Server層的處理生成執(zhí)行計劃，然后調(diào)用存儲引擎層接口去讀寫數(shù)據(jù)，用戶沒有觸發(fā)COMMIT或ROLLBACK之前，這些Uncommitted Data的數(shù)據(jù)稱為前鏡像(Post Image)，數(shù)據(jù)存儲在Undo Log，以便用戶回滾或者MySQL Server Crash的恢復(fù)，同時Undo Log是循環(huán)覆蓋使用。

 
 
 
 
  
  
  
  
#開啟事務(wù)，更新賬戶余額，不提交事務(wù)。 
  
  
  
  
mysql> start transaction; 
  
  
  
  
mysql> update account set balance = 100000 where account_no = 10001; 
  
  
  
  
Rows matched: 1  Changed: 1  Warnings: 0 
 
 
 

上面在RR隔離級別下，開啟一個事務(wù)，做update更新操作，不提交事務(wù)，通過show engine innodb status\G查看undo情況。

 
 
 
 
  
  
  
  
Trx id counter 8407258 
  
  
  
  
Purge done for trx's n:o < 8407257 undo n:o < 0 state: running but idle 
  
  
  
  
History list length 33 
  
  
  
  
...... 
  
  
  
  
---TRANSACTION 8407257, ACTIVE 154 sec 
  
  
  
  
2 lock struct(s), heap size 1136, 4 row lock(s), undo log entries 1 
 
 
 

Trx id counter 8407258當前的事務(wù)ID，undo log entries 1使用了的undo entries，ACTIVE 154 sec事務(wù)持續(xù)時間，事務(wù)commit后，會調(diào)用Purge Thread把undo中的老數(shù)據(jù)清理掉。

回滾記錄

insert：反向操作是delete，undo里記錄的是delete相關(guān)信息，存儲主鍵id即可。

udpate：反向操作是update，undo里記錄的是update前的相關(guān)數(shù)據(jù)。

delete：反向操作是insert，undo里記錄的是insert values(…..)相關(guān)的記錄。

從這里可以知道，更新操作占用Undo空間的大小排序如下：

delete > update > insert

所以不建議物理delete刪除數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生大量的Undo Log，Undo快被寫滿就會發(fā)生切換，在次期間會有大量的IO操作，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的DML都會變得很慢。

一致性讀

MySQL官方文檔對一致讀的描述：

讀操作基于某個時間點得到一份那時的數(shù)據(jù)快照，而不管同時其他事務(wù)對數(shù)據(jù)的修改。查詢過程中，若其他事務(wù)修改了數(shù)據(jù)，那么就需要從 undo log中獲取舊版本的數(shù)據(jù)。這么做可以有效避免因為需要加鎖(來阻止其他事務(wù)同時對這些數(shù)據(jù)的修改)而導(dǎo)致事務(wù)并行度下降的問題。

在可重復(fù)讀(REPEATABLE READ，簡稱RR)隔離級別下，數(shù)據(jù)快照版本是在第一個讀請求發(fā)起時創(chuàng)建的。在讀已提交(READ COMMITTED，簡稱RC)隔離級別下，則是在每次讀請求時都會重新創(chuàng)建一份快照。

一致性讀是InnoDB在RR和RC下處理SELECT請求的默認模式。由于一致性讀不會在它請求的表上加鎖，其他事務(wù)可以同時修改數(shù)據(jù)不受影響。

一行數(shù)據(jù)有多個版本，每個數(shù)據(jù)版本有自己的trx_id，每個事務(wù)或者查詢通過trx_id生成自己的一致性視圖。普通select語句是一致性讀，一致性讀會根據(jù)row trx_id和一致性視圖確定數(shù)據(jù)版本的可見性，圖中UR1，UR2就是undo，存儲在Undo Log中，每次查詢時根據(jù)當前data page和 Undo page構(gòu)造出一致性數(shù)據(jù)頁(Consistent Read Page)，通過讀取CR Page將數(shù)據(jù)返回給用戶。

總結(jié)

介紹了MySQL事務(wù)，快照，MVCC以及Undo，雖然這些東西比較抽象，但是搞清楚這些東西是一件很有意義的事，能夠幫助我們更好的理解和使用MySQL，也可以把這種設(shè)計思想用在自己業(yè)務(wù)系統(tǒng)中。其中Undo在MySQL中的作用很重要，它是MVCC能夠快速創(chuàng)建快照基礎(chǔ)，支撐系統(tǒng)的高并發(fā)。

好啦，以上就是本期的全部內(nèi)容了，我是敖丙，你知道的越多，你不知道的越多，我們下期見。

網(wǎng)站名稱：說說一致性讀實現(xiàn)原理？
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