解读年度数据库PostgreSQL：如何处理并发控制（一）

墨墨导读：最近电子工业出版社博文视点出版了《PostgreSQL指南：内幕探索》，日前「数据和云」公众号推荐了这本书并赠送了五本，百多位用户参与，几十条留言未能放出，为了让大家更好地学习开源数据PostgreSQL，经出版社官方授权，刊载本书部分章节内容以飨读者，本文节选了第五章《并发控制》5.1 -5.2。

此外，我们也成立PostgreSQL学习社群，技术探讨、资料分享、大牛解答，欢迎加入一起进步，入群方式见文末。

之前，我们分享了解读年度数据库PostgreSQL：基础备份与时间点恢复（上），解读年度数据库PostgreSQL：基础备份与时间恢复（下）

当多个事务同时在数据库中运行时，并发控制是一种用于维持一致性与隔离性的技术，一致性与隔离性是ACID的两个属性。

译者注：ACID指数据库事务正确执行的四个基本要素的缩写，包含原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability）。

从宽泛的意义上来讲，有三种并发控制技术，分别是多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control，MVCC）、严格两阶段锁定（Strict Two-Phase Locking，S2PL）和乐观并发控制（Optimistic Concurrency Control，OCC），每种技术都有多种变体。在MVCC中，每个写操作都会创建一个新版本的数据项，并保留其旧版本。当事务读取数据对象时，系统会选择其中的一个版本，通过这种方式来确保各个事务间相互隔离。MVCC的主要优势在于“读不会阻塞写，写也不会阻塞读”，相反的例子是，基于S2PL的系统在写操作发生时会阻塞相应对象上的读操作，因为写入者获取了对象上的排他锁。PostgreSQL和一些关系型数据库使用一种MVCC的变体，叫作快照隔离（Snapshot Isolation，SI）。

一些关系型数据库（例如Oracle）使用回滚段来实现快照隔离SI。当写入新数据对象时，旧版本对象先被写入回滚段，随后用新对象覆写至数据区域。PostgreSQL使用更简单的方法，即新数据对象被直接插入相关表页中。读取对象时，PostgreSQL根据可见性检查规则，为每个事务选择合适的对象版本作为响应。

SI中不会出现在ANSI SQL-92标准中定义的三种异常，分别是脏读、不可重复读和幻读。但SI无法实现真正的可串行化，因为在SI中可能会出现串行化异常，例如写偏差和只读事务偏差。需要注意的是，ANSI SQL-92标准中可串行化的定义与现代理论中的定义并不相同。为了解决这个问题，PostgreSQL从9.1版本之后添加了可串行化快照隔离（Serializable Snapshot Isolation，SSI），SSI可以检测串行化异常，并解决这种异常导致的冲突。因此，9.1版本之后的PostgreSQL提供了真正的SERIALIZABLE隔离等级（SQL Server也使用SSI，而Oracle仍然使用SI）。

并发控制包含着很多主题，本章重点介绍PostgreSQL独有的内容。故此处省略了锁模式与死锁处理的内容（相关信息请参阅官方文档）。

PostgreSQL中的事务隔离等级

PostgreSQL实现的事务隔离等级如下表所示：

隔离等级	脏    读	不可重复读	幻    读	串行化异常
读已提交	不可能	可能	可能	可能
可重复读[1]	不可能	不可能	PG中不可能，见第5.7.2小节，但ANSI SQL中可能	可能
可串行化	不可能	不可能	不可能	不可能

[1]：在9.0及更低版本中，该级别被当作SERIALIZABLE，因为它不会出现ANSI SQL-92标准中定义的三种异常。但9.1版中SSI的实现引入了真正的SERIALIZABLE级别，该级别已被改称为REPEATABLE READ。

PostgreSQL对DML（SELECT、UPDATE、INSERT、DELETE等命令）使用SSI，对DDL（CREATE TABLE等命令）使用2PL。

5.1　事务标识

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每当事务开始时，事务管理器就会为其分配一个称为事务标识（transaction id，txid）的唯一标识符。PostgreSQL的txid是一个32位无符号整数，取值空间大小约为42亿。在事务启动后执行内置的txid_current()函数，即可获取当前事务的txid，如下所示。

testdb=# BEGIN;
BEGIN
testdb=# SELECT txid_current();
 txid_current 
--------------
          100
(1 row)

PostgreSQL保留以下三个特殊txid：

• 0表示无效的txid。

• 1表示初始启动的txid，仅用于数据库集群的初始化过程。
  

• 2表示冻结的txid，详情参考第5.10节。
  

txid可以相互比较大小。例如对于txid=100的事务，大于100的txid属于“未来”，且对于txid=100的事务而言都是不可见的，小于100的txid属于“过去”，且对该事务可见，如图5.1（1）所示。

因为txid在逻辑上是无限的，而实际系统中的txid空间不足（4B整型的取值空间大小约42亿），因此PostgreSQL将txid空间视为一个环。对于某个特定的txid，其前约21亿个txid属于过去，其后约21亿个txid属于未来，如图5.1（2）所示。

txid回卷问题将在第5.10节中介绍。
注意，txid并非是在BEGIN命令执行时分配的。在PostgreSQL中，当执行BEGIN命令后的第一条命令时，事务管理器才会分配txid，并真正启动其事务。
 

图5.1　PostgreSQL中的事务标识

5.2　元组结构

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我们可以将表页中的堆元组分为普通数据元组与TOAST元组两类。本节只介绍普通元组。
堆元组由三个部分组成，即HeapTupleHeaderData结构、空值位图及用户数据，如图5.2所示。
 

图5.2　元组结构

HeapTupleHeaderData结构在src/include/access/htup_details.h中定义。

typedef struct HeapTupleFields
{
        TransactionId t_xmin;           /* 插入事务的ID */
        TransactionId t_xmax;           /* 删除或锁定事务的ID */

        union
        {
                CommandId       t_cid;     /* 插入或删除的命令ID */
                TransactionId     t_xvac;    /* 老式VACUUM FULL的事务ID */
        } t_field3;
} HeapTupleFields;

typedef struct DatumTupleFields
{
        int32          datum_len_;           /* 可变首部的长度*/
        int32          datum_typmod;           /* -1或者是记录类型的标识 */
        Oid            datum_typeid;           /* 复杂类型的oid或记录ID */
} DatumTupleFields;

typedef struct HeapTupleHeaderData
{
        union
        {
                HeapTupleFields t_heap;
                DatumTupleFields t_datum;
        } t_choice;

        ItemPointerData t_ctid;         /* 当前元组或更新元组的TID */

        /* 下面的字段必须与结构MinimalTupleData相匹配 */
        uint16          t_infomask2;    /* 属性与标记位 */
        uint16          t_infomask;     /* 很多标记位 */
        uint8           t_hoff;         /* 首部+位图+填充的长度 */
        /* ^ - 23 bytes - ^ */
        bits8           t_bits[1];      /* NULL值的位图——变长的 */

        /* 本结构后面还有更多数据 */
} HeapTupleHeaderData;

typedef HeapTupleHeaderData *HeapTupleHeader;

虽然HeapTupleHeaderData结构包含7个字段，但是后续部分中只需要了解4个字段即可。

• t_xmin保存插入此元组的事务的txid。

• t_xmax保存删除或更新此元组的事务的txid。如果尚未删除或更新此元组，则t_xmax设置为0，即无效。

• t_cid保存命令标识（command id，cid），cid的意思是在当前事务中，执行当前命令之前执行了多少SQL命令，从零开始计数。例如，假设我们在单个事务中执行了3条INSERT命令BEGIN;INSERT;INSERT;INSERT;COMMIT;。如果第一条命令插入此元组，则该元组的t_cid会被设置为0。如果第二条命令插入此元组，则其t_cid会被设置为1，以此类推。

• t_ctid保存着指向自身或新元组的元组标识符（tid）。如第1.3节中所述，tid用于标识表中的元组。在更新该元组时，t_ctid会指向新版本的元组，否则t_ctid会指向自己。
  

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原创：铃木启修

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