深入理解MySQL8中的MVCC实现原理

一、事务

事务是数据库的基础，如果对事务陌生或遗忘的话，请回过头参考我的这篇 基于MySQL 8.0 对事务的深度理解

二、版本链

对于使用InnoDB存储引擎的表来说，它的聚簇索引记录中都包含两个必要的隐藏列（row_id并不是必要的，我们创建的表中有主键或者非NULL唯一键时都不会包含row_id列）

  • trx_id：每次对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把对应的事务id赋值给trx_id隐藏列。
  • roll_pointer：每次对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把旧的版本写入到undo日志中，然后这个隐藏列就相当于一个指针，可以通过它来找到该记录修改前的信息。

比方说我们的表t现在只包含一条记录：

mysql> SELECT * FROM t;
+----+--------+
| id | c      |
+----+--------+
|  1 | 刘备   |
+----+--------+
1 row in set (0.01 sec)

假设插入该记录的事务id为80，那么此刻该条记录的示意图如下所示：

mysql8 row_MVCC

假设之后两个id分别为100、200的事务对这条记录进行UPDATE操作，操作流程如下：

mysql8 row_mysql 幻读的解决_02

小贴士： 能不能在两个事务中交叉更新同一条记录呢？哈哈，这是不可以滴，第一个事务更新了某条记录后，就会给这条记录加锁，另一个事务再次更新时就需要等待第一个事务提交了，把锁释放之后才可以继续更新。本篇文章不是讨论锁的，有关锁的更多细节我们之后再说。

关于锁的知识可以看我的另外一篇文章，这里就不多说了。 深入理解MySQL中的锁机制

每次对记录进行改动，都会记录一条undo日志，每条undo日志也都有一个roll_pointer属性（INSERT操作对应的undo日志没有该属性，因为该记录并没有更早的版本），可以将这些undo日志都连起来，串成一个链表，所以现在的情况就像下图一样：

mysql8 row_mysql8_03

对该记录每次更新后，都会将旧值放到一条undo日志中，就算是该记录的一个旧版本，随着更新次数的增多，所有的版本都会被roll_pointer属性连接成一个链表，我们把这个链表称之为版本链，版本链的头节点就是当前记录最新的值。另外，每个版本中还包含生成该版本时对应的事务id，这个信息很重要，我们稍后就会用到。

三、ReadView

对于使用READ UNCOMMITTED隔离级别的事务来说，直接读取记录的最新版本就好了，对于使用SERIALIZABLE隔离级别的事务来说，使用加锁的方式来访问记录。对于使用READ COMMITTED和REPEATABLE READ隔离级别的事务来说，就需要用到我们上边所说的版本链了，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。所以设计InnoDB``的大叔提出了一个ReadView的概念，这个ReadView中主要包含当前系统中还有哪些活跃的读写事务，把它们的事务id放到一个列表中，我们把这个列表命名为为m_ids。所以我们在开启一次会话进行SQL读写时，开始事务时生成readview时，会把当前系统中正在执行的写事务写入到m_ids列表中，另外还会存储两个值：

  • min_trx_id：该值代表生成readview时m_ids中的最小值
  • max_trx_id：该值代表生成readview时系统中应该分配给下一个事务的id值。

小贴士：注意max_trx_id并不是m_ids中的最大值，事务id是递增分配的。比方说现在有id为1，2，3这三个事务，之后id为3的记录提交了。那么一个新的读事务在生成readview时，m_ids就包括1和2，min_trx_id的值就是1，max_trx_id的值就是4。

所以判断可见性的步骤就是：

  • 如果记录的trx_id列小于min_trx_id，说明肯定可见。
  • 如果记录的trx_id列大于max_trx_id，说明肯定不可见。
  • 如果记录的trx_id列在min_trx_id和max_trx_id之间，就要看一下该trx_id在不在m_ids列表中，如果在，说明不可见，否则可见。

如果某个版本的数据对当前事务不可见的话，那就顺着版本链找到下一个版本的数据，继续按照上边的步骤判断可见性，依此类推，直到版本链中的最后一个版本，如果最后一个版本也不可见的话，那么就意味着该条记录对该事务不可见，查询结果就不包含该记录。

在MySQL中，READ COMMITTED和REPEATABLE READ隔离级别的的一个非常大的区别就是它们生成ReadView的时机不同，我们来看一下。

四、MVCC下版本链的访问过程

4.1 READ COMMITTED — 每次读取数据前都生成一个ReadView

比方说现在系统里有两个id分别为1、2的事务在执行：

# Transaction 100
BEGIN;

UPDATE t SET c = '关羽' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '张飞' WHERE id = 1;
# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

小贴士： 事务执行过程中，只有在第一次真正修改记录时（比如使用INSERT、DELETE、UPDATE语句），才会被分配一个单独的事务id，这个事务id是递增的。

此刻，表t中id为1的记录得到的版本链表如下所示：

mysql8 row_mysql 幻读的解决_04

假设现在有一个使用READ COMMITTED隔离级别的事务开始执行：

# 类似于第三个客户端，开启了一个新的事务
# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值为'刘备'

这个SELECT1的执行过程如下:

  • 在执行SELECT语句时会先生成一个ReadView，ReadView的m_ids列表的内容就是[100, 200], ReadView的min_trx_id的值100, ReadView的max_trx_id的值为300。
  • 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列c的内容是'张飞'，该版本的trx_id值为100，在min_trx_id和max_trx_id之间，然后在看，发现trx_id在m_ids列表中，所以不符合可见性要求，根据roll_pointer`跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'关羽'，该版本的trx_id值也为100，也在m_ids列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'刘备'，该版本的trx_id值为80，小于min_trx_id的事务id100，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列c为’刘备’的记录。

之后，我们把事务id为100的事务提交一下，就像这样：

# Transaction 100
BEGIN;

UPDATE t SET c = '关羽' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '张飞' WHERE id = 1;

COMMIT;

然后再到事务id为200的事务中更新一下表t中id为1的记录：

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

UPDATE t SET c = '赵云' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '诸葛亮' WHERE id = 1;

此刻，表t中id为1的记录的版本链就长这样：

mysql8 row_mysql8 row_05

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:

# 新开的一个客户端字段
# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200均未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值为'刘备'

# SELECT2：Transaction 100提交，Transaction 200未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值为'张飞'

这个SELECT2的执行过程如下：

  • 在执行SELECT语句时会先生成一个ReadView，ReadView的m_ids列表的内容就是[200]（事务id为100的那个事务`已经提交了，所以生成快照时就没有它了）
  • 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列c的内容是'诸葛亮'，该版本的trx_id值为200，在m_ids表内，所以不符合可见性要求，根据roll_pointer跳到下一个版本
  • 下一个版本的列c的内容是'赵云'，该版本的trx_id值为200，也在m_ids列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本
  • 下一个版本的列c的内容是'张飞'，该版本的trx_id值为100，小于min_trx_id的事务id100，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列c为’张飞’的记录。

以此类推，如果之后事务id为200的记录也提交了，再此在使用READ COMMITTED隔离级别的事务中查询表t中id值为1的记录时，得到的结果就是'诸葛亮'了，具体流程我们就不分析了。总结一下就是：使用READ COMMITTED隔离级别的事务在每次查询开始时都会生成一个独立的ReadView。

4.2 REPEATABLE READ —在第一次读取数据时生成一个ReadView

对于使用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。我们还是用例子看一下是什么效果。

比方说现在系统里有两个id分别为100、200的事务在执行：

# Transaction 100
BEGIN;

UPDATE t SET c = '关羽' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '张飞' WHERE id = 1;
# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

此刻，表t中id为1的记录得到的版本链表如下所示：

mysql8 row_mysql8_06

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 100、200未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值为'刘备'

这个SELECT1的执行过程如下：

  • 在执行SELECT语句时会先生成一个ReadView，ReadView的m_ids列表的内容就是[100, 200],ReadView的min_trx_id的值100, ReadView的max_trx_id的值为300。
  • 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列c的内容是'张飞'，该版本的trx_id值为100，在m_ids列内，所以不符合可见性要求，根据roll_pointer跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'关羽'，该版本的trx_id值也为100，也在m_ids列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'刘备'，该版本的trx_id值为80，小于ReadView的min_trx_id的值100，所以这个版本是符合要的，最后返回给用户的版本就是这条列c为’刘备’的记录。

之后，我们把事务id为100的事务提交一下，就像这样：

# Transaction 100
BEGIN;

UPDATE t SET c = '关羽' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '张飞' WHERE id = 1;

COMMIT;

然后再到事务id为200的事务中更新一下表t中id为1的记录：

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

UPDATE t SET c = '赵云' WHERE id = 1;

UPDATE t SET c = '诸葛亮' WHERE id = 1;

此刻，表t中id为1的记录的版本链就长这样：

mysql8 row_mvcc原理_07

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：

# 新开的一个事务客户端
# 使用REPEATABLE READ隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200均未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值为'刘备'

# SELECT2：Transaction 100提交，Transaction 200未提交
SELECT * FROM t WHERE id = 1; # 得到的列c的值仍为'刘备'

这个SELECT2的执行过程如下：

  • 因为之前已经生成过ReadView了，所以此时直接复用之前的ReadView，之前的ReadView中的m_ids列表就是[100,200],min_trx_id的值为100, max_trx_id的值为300`。
  • 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列c的内容是'诸葛亮'，该版本的trx_id值为200，在m_ids表内，所以不符合可见性要求，根据roll_pointer跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'赵云'，该版本的trx_id值为200，也在m_ids列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'张飞'，该版本的trx_id值为100，而m_ids列表中是包含值为100的事务id的，所以该版本也不符合要求，同理下一个列c的内容是'关羽'的版本也不符合要求。继续跳到下一个版本。
  • 下一个版本的列c的内容是'刘备'，该版本的trx_id值为80，80小于min_trx_id的值100，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列c为'刘备'的记录。

也就是说两次SELECT查询得到的结果是重复的，记录的列c值都是'刘备'，这就是可重复读的含义。如果我们之后再把事务id为200的记录提交了，之后再到刚才使用REPEATABLE READ隔离级别的事务中继续查找这个id为1的记录，得到的结果还是'刘备'，具体执行过程大家可以自己分析一下。

五、总结

从上边的描述中我们可以看出来，所谓的MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）指的就是在使用READ COMMITTD、REPEATABLE READ这两种隔离级别的事务在执行普通的SEELCT操作时访问记录的版本链的过程，这样子可以使不同事务的读-写、写-读操作并发执行，从而提升系统性能。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这个ReadView就好了。

参考：
《MySQL是怎样运行的：从根上理解MySQL》
《高性能MySQL》