图文结合带你搞懂InnoDB MVCC

Original 杼 GreatSQL社区 2024-07-08

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前情提要

当前读
快照读

什么是MVCC

三个隐藏字段
Undo Log回滚日志
MVCC版本链
ReadView读视图

不同隔离级别下MVCC分析

READ-COMMITTED隔离级别
REPEATABLE-READ隔离级别

前情提要

事务有四大特性ACID分别是：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability）

其中隔离性是通过数据库的锁加上MVCC(多版本并发控制)来保证的。

在介绍MVCC之前先来了解一下当前读和快照读。

当前读

当前读读取的是记录的最新版本。同时在读取的时候还要保证其他的并发事务不能更改当前记录，那么当前读会对它要读取的记录进行加锁。不同的操作会加上不同类型的锁，如：SELECT ... LOCK IN SHARE MODE(共享锁)，SELECT ... FOR UPDATE、UPDATE、INSERT、 DELETE(排他锁)。

快照读

简单的不加锁的SELECT就是快照读，快照读读取的是快照生成时的数据，不一定是最新的数据，它是不加锁的非阻塞读。而不同隔离级别下，创建快照的时机也不同：

READ-COMMITTED(读已提交)：事务每次SELECT时创建ReadView
REPEATABLE-READ(可重复读)：事务第一次SELECT时创建ReadView，后续一直使用

在MySQL默认隔离级别(REPEATABLE-READ)下，快照读保证了数据的可重复读。

什么是MVCC

MVCC全称Multi-Version Concurrency Control，即多版本并发控制。它是一种并发控制的方法，它可以维护一个数据的多个版本，用更好的方式去处理读写冲突，做到即使有读写冲突也能不加锁。MySQL中MVCC的具体实现，还需要依赖于表中的三个隐藏字段、Undo Log日志以及ReadView。

三个隐藏字段

mysql> SHOW CREATE TABLE stu \G;
*************************** 1. row ***************************
       Table: stu
Create Table: CREATE TABLE `stu` (
  `id` int NOT NULL,
  `name` varchar(10) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci
1 row in set (0.00 sec)

mysql> SELECT * FROM stu;
+----+--------+
| id | name   |
+----+--------+
|  1 |   b    |
|  2 |   f    |
+----+--------+

当创建了上述这张表后，我们在查看表结构时只能看到id、name字段，实际上除了这两个字段外，InnoDB引擎还自动为我们添加了三个隐藏字段，见下表：

字段	含义
DB_TRX_ID	最近修改事务ID，记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务ID。
DB_ROLL_PTR	回滚指针，指向这条记录的上一个版本，用于配合Undo Log，指向上一个版本。
DB_ROW_ID	隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段。

我们可以使用ibd2sdi工具来从表空间文件中提取序列化的字典信息（SDI），来验证一下这三个隐藏字段是否存在。

["ibd2sdi"
,
{
 "type": 1,
 "id": 402,
 "object":
  {
    "mysqld_version_id": 80025,
    "dd_version": 80023,
    "sdi_version": 80019,
    "dd_object_type": "Table",
    "dd_object": {
        "name": "stu",
        "mysql_version_id": 80025,
        "created": 20220919023413,
        "last_altered": 20220919023413,
        "hidden": 1,
        "options": "avg_row_length=0;encrypt_type=N;explicit_encryption=0;key_block_size=0;keys_disabled=0;pack_record=1;stats_auto_recalc=0;stats_sample_pages=0;",
        "columns": [
            {
                "name": "id",
                "type": 4,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 1,
···省略
            },
            {
                "name": "name",
                "type": 16,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 1,
···省略
            },
            {
                "name": "DB_TRX_ID", #最近修改事务ID
                "type": 10,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
···省略
            },
            {
                "name": "DB_ROLL_PTR", #回滚指针
                "type": 9,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
···省略
            }
        ],

注意：因为这张表里已经指定了主键为id列，所以不会生成隐藏主键DB_ROW_ID列。

Undo Log回滚日志

回滚日志，在增、改、删操作的时候产生的便于数据回滚的日志。当INSERT操作的时候，产生的回滚日志在事务提交后可被立即删除。而UPDATE和DELETE操作的时候，产生的Undo Log日志不仅在进行数据回滚时需要，在进行快照读时也需要，所以不会立即被删除。

Undo Log详情可见文章：图文结合带你搞定MySQL日志之Undo log(回滚日志)

MVCC版本链

当有多个并发事务操作一行数据时，对这行数据的修改会产生多个版本，多个版本通过上述的一个隐藏字段DB_ROLL_PTR回滚指针指向Undo Log数据地址形成一个链表，即MVCC版本链。

ReadView读视图

ReadView读视图是快照读SQL执行时MVCC提取数据的依据，记录并维护系统当前活跃的事务（未提交的）id。

上面讲过Undo Log和MVCC版本链，一条数据经过多次修改会产生多个版本，而快照读是根据不同时机创建的快照获取数据的，那么快照读SQL在执行时该读取那个版本的数据就是靠ReadViw读视图来决定的。

ReadView读视图中包含了四个核心字段，也是读取数据的判断依据：

字段	含义
m_ids	当前活跃的事务ID集合
min_trx_id	最小活跃事务ID
max_trx_id	预分配事务ID，当前最大事务ID+1（因为事务ID是自增的）
creator_trx_id	ReadView创建者的事务ID

ReadView一共有四种匹配规则：

条件	能否访问	说明
trx_id == creatro_trx_id	可以访问该版本	成立，说明数据是当前这个事务更改的。
trx_id < min_trx_id	可以访问该版本	成立，说明数据已经提交了。
trx_id > max_trx_id	不可以访问该版本	成立，说明该事务是在ReadView生成后才开启的。
min_trx_id <= trx_id <= max_trx_id	如果trx_id不在m_ids中，那么可以访问该版本	成立，说明数据已经提交。

不同隔离级别下MVCC分析

READ-COMMITTED隔离级别

前面有提到过在READ-COMMITTED隔离级别下事务在每次快照读SQL执行时创建ReadView，每次创建的ReadView的四个字段对应的值也是不同的，所以在READ-COMMITTED隔离级别下每次快照读SQL获取的数据可能也是不同的。

下面通过一个READ-COMMITTED隔离级别下并发事务的案例来详细看看：

现有四个并发事务同时访问一条数据：

在上述并发事务中，事务5查询了两次id为1的数据，因为当前的隔离级别设置为了READ-COMMITTED，事务在每次快照读SQL执行时创建一个ReadView，每次生成的ReadView中的四个字段值都不同。那么三次快照读都会根据生成的ReadView中的字段进行规则匹配，从而决定返回的数据。接下来看看流程：

事务5第一次快照读解读

事务5第一次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图：

在匹配版本数据前，先与表中数据进行匹配：

该数据对应的DB_TRX_ID为3，此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配：

首先是第一条规则db_trx_id == creator_trx_id，db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id < min_trx_id，db_trx_id(3)不小于min_trx_id(3)故不成立；
第三条规则db_trx_id > max_trx_id，db_trx_id(3)小于max_trx_id(6)故不成立；
第四条规则min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id，db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间，但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配，表中最新的数据无法匹配，故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配：

第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3)，该版本的数据满足匹配规则中的第二条，说明数据已经提交，此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。

事务5第二次快照读

因为当前事务的隔离级别为READ-COMMITTED(读已提交)，所以在每次快照读的时候都会创建一个ReadView，所以事务5第二次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图：

在匹配版本数据前，先与表中数据进行匹配：

该数据对应的DB_TRX_ID为4，此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配：

首先是第一条规则db_trx_id == creator_trx_id，db_trx_id(4)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id < min_trx_id，db_trx_id(4)不小于min_trx_id(4)故不成立；
第三条规则db_trx_id > max_trx_id，db_trx_id(4)小于max_trx_id(6)故不成立；
第四条规则min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id，db_trx_id(4)在min_trx(4)与max_trx_id(6)之间，但是同时处于m_ids(4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配，表中最新的数据无法匹配，故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配：

第一条规则db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id(3)小于min_trx_id(4)，该版本的数据满足匹配规则中的第二条，说明数据已经提交，此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。

REPEATABLE-READ级别

现在来看看REPEATABLE-READ可重复读隔离级别有什么不同的地方。同样，有四个并发事务同时访问一条数据：

在上述并发事务中，事务5查询了两次id为1的数据，因为当前的隔离级别设置为了REPEATABLE-READ，事务在第一次快照读SQL执行时创建ReadView，后续该事务所有的快照读都复用该ReadView。接下来看看流程：

事务5第一次快照读解读

事务5第一次进行查询时生成的ReadView以及原数据如下图：

在匹配版本数据前，先与表中数据进行匹配：

该数据对应的DB_TRX_ID为3，此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配：

首先是第一条规则db_trx_id == creator_trx_id，db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id < min_trx_id，db_trx_id(3)不小于min_trx_id(3)故不成立；
第三条规则db_trx_id > max_trx_id，db_trx_id(3)小于max_trx_id(6)故不成立；
第四条规则min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id，db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间，但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配，表中最新的数据无法匹配，故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配：

第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3)，该版本的数据满足匹配规则中的第二条，说明数据已经提交，此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。

事务5第二次快照读解读

因为当前事务的隔离级别为REPEATABLE-READ(可重复读)，所以第二次快照读也会沿用第一次快照读时创建的ReadView，如下：

在匹配版本数据前，先与表中数据进行匹配：

该数据对应的DB_TRX_ID为4，此时MVCC就会通过ReadView带着这条数据去进行规则匹配：

首先是第一条规则db_trx_id == creator_trx_id，db_trx_id(4)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id < min_trx_id，db_trx_id(4)不小于min_trx_id(3)故不成立；
第三条规则db_trx_id > max_trx_id，db_trx_id(4)小于max_trx_id(6)故不成立；
第四条规则min_trx_id <= db_trx_id <= max_trx_id，db_trx_id(4)在min_trx(4)与max_trx_id(6)之间，但是同时处于m_ids(4,5)集合之中故也不成立。

经过这次匹配，表中最新的数据无法匹配，故要与MVCC版本链中最上面的数据进行规则匹配

与MVCC版本链中最上方的版本进行匹配：

第一条规则db_trx_id(3)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id(3)不小于min_trx_id(4)故不成立；
第三条规则db_trx_id小于max_trx_id(6)故不成立；
第四条规则db_trx_id(3)在min_trx(3)与max_trx_id(6)之间，但是同时处于m_ids(3,4,5)集合之中故也不成立。

经过第二次匹配，MVCC版本链中最上层的数据版本也无法匹配，故要与第二条版本进行匹配

与MVCC版本链中第二条版本进行匹配：

第一条规则db_trx_id(2)不等于creator_trx_id(5)故不成立；
第二条规则db_trx_id(2)小于min_trx_id(3)，该版本的数据满足匹配规则中的第二条，说明数据已经提交，此时匹配将终止并返回这个版本对应的数据。

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