什么是MVCC？看看它的实现原理

大家好，我是归思君~

之前在讲 MySQL 事务隔离性提到过，对于写操作给读操作的影响这种情形下发生的脏读、不可重复读、虚读问题，是通过MVCC 机制来进行解决的，那么MVCC到底是如何实现的，其内部原理是怎样的呢？我们要抓住三个方面：记录中的4个隐藏字段、undo log 和 read view。

一、MVCC 定义和解决的读问题

1. 事务并发一致性的读问题

脏读（Dirty Read）

脏读也就是当前事务读取到了其他事务还未提交的数据。我们举个例子来看看：

Time	session A	session B
1	-设置当前会话事务隔离级别为：读未提交 set session transaction isolation level read uncommitted;
2		-设置当前会话事务隔离级别为：读未提交 set session transaction isolation level read uncommitted;
3	start transaction; select * from account;
4		start transaction; select * from account; update account set user_name = '孙七' where id = 6;
5	select * from account; 查询到了session B 中还没有提交的数据

不可重复读(Non-Repeatable Read)

不可重复读是两次读取的结果不相同，和脏读的区别就是不可重复读读到了其他事务提交后的数据。

举个实例来看看：

Time	session A	session B
1	-设置当前会话事务隔离级别为：读已提交 set session transaction isolation level read committed;
2		-设置当前会话事务隔离级别为：读已提交 set session transaction isolation level read committed;
3	start transaction; select * from account;
4		start transaction; select * from account; update account set user_name='赵赵' where id = 1; -此时已经发生修改 select * from account;
5	select * from account;
6		commit;
7	select * from account;对于未提交的事务，查询不到。相对于前一个隔离级别，杜绝了未提交事务修改对另外会话的影响。一旦另外的会话提交后，在进行查询时，会查出相应的修改。即在一个完整会话中，前后查询不同。

虚读（Phantom）

所谓虚读，也就是根据某些搜索条件先后查询数据库，发现两次查询结果条数不同。和不可重复读的区别就是不可重复读的条数没有变化，虚读条数因为修改操作造成了条数变化。

下面举个实例来说明：

Time	session A	session B
1	-设置当前会话事务隔离级别为：可重复读 set session transaction isolation level repeatable read; select @@transaction_isolation;
2		-设置当前会话事务隔离级别为：可重复读 set session transaction isolation level repeatable read; select @@transaction_isolation;
3	start transaction; select * from account;
4		start transaction; select * from account; insert into account values(7,'刘八',100); -此时已经发生修改 select * from account;
5	select * from account;
6		commit;
7	select * from account; insert into account values(7,'刘八',100);虽然此时查询全表没有发现新的数据，但是这个时候插入和session B 中相同的插入语句却提示存在一条 key = 7 的语句，说明 session B 的操作确实影响到了 session A 。 这就是虚读

2.MVCC的定义

全称叫 Multi-Version Concurrency Control 的多版本并发控制。也就是指“维持一个数据的多个版本，使得读写操作没有冲突”。

在说明 MVCC 原理前，先了解一下 InnoDB 的当前读和快照读：

当前读

当前读，也就是它读取的是记录的最新版本，而且还要保证其他并发事务不能修改当前记录，实现方式是对读取记录进行加锁。比如下面给出的都是当前读

#共享锁
select lock in share mode;
select for update;
#排他锁
update
insert
delete

快照读

快照读是一种基于多版本并发控制（MVCC）的不加锁读取形式，由于多版本控制，使得快照读读到的可能不是数据的最新版本。比如不加锁的select 操作就是快照读。

二、MVCC 实现原理

1. 记录的三个隐藏字段

对于InnoDB 存储引擎来说，它的每条聚簇索引记录中都包含有以下三个隐藏字段：

• row_id：隐藏主键。如果该数据表中没有设置主键，就会自动生成一个6字节的row_id
• roll_pointer：回滚指针。 指向旧版本的 undo 日志
• trx_id：最近修改记录的事务ID。记录创建这条记录或者最后一次修改该记录的事务ID

如图所示，row_id 表示该记录生成的唯一隐式主键；trx_id 表示当前操作该记录的事务ID；roll ptr 是指向上一版本的 undo 日志的地址。

2. undo 日志

undo log 就是回滚日志，之前在事务的原子性中介绍过，它是保证事务原子性的机制。undo 日志保存的只有 insert、delete 和 update这些修改记录的操作。下面举个例子来帮助理解 undo log 的执行流程：

• 1.有一个事务编号为1 的事务向数据表中插入一条记录，此时事务的状态是：

  

  • row_id：隐藏主键为1
  • trx_id：创建该记录的事务ID
  • roll ptr：其上个版本的 undo 日志为空

• 2.第二个事务编号为2的事务对该记录进行修改，将name 字段的 ethan 改为 bob。此时的操作有：

  • 修改数据时，数据库会对该行加排他锁
  • 把该行数据拷贝一份到 undo log 中
  • 拷贝完成后，再修改该记录name 字段的 ethan 为 bob、修改隐藏字段的事务ID 为2，回滚指针指向拷贝到 undo log 的记录。
  • 事务提交后释放排他锁

  

• 3.若第三个事务ID 为 3 对记录的age 字段进行了修改，将 20 修改为 18，则会出现：

  • 事务3修改记录时，数据库对该行加排他锁
  • 数据库将该行数据拷贝到 undo log 中
  • 拷贝完毕后将该记录字段的 age 改成 18。修改隐藏事务ID 为 3，回滚指针指向上个版本的地址
  • 事务提交后释放锁

  

从第二次我们会发现，undo log 中会出现多个版本的日志。这就是版本链。链首是最新的旧记录，链尾是最早的旧记录。

3. ReadView(读视图)

ReadView 定义

ReadView 是事务进行快照读那一刻，生成的一个数据系统当前的快照，记录并维护当前活跃事务的id，并且这个 ID 值是递增的。ReadView 的作用就是用来做可见性判断，记录当前事务执行快照读时，创建的ReadView 能够看到哪些版本的数据。

那么是ReadView 是怎么判断的呢？

ReadView 版本可见性判断规则

在ReadView 视图中主要有四个重要的属性：

• trx_list: 一个数值列表，当前系统活跃的读写事务的事务id 列表
• min_trx_id: trx_list 中最小的事务id，trx_list 中的最小值
• max_trx_id: 不是trx_list 的最大值，它是指系统应该分配给下一事务的事务id 值
  • 比如现在 trx_list 中有id 为1、2、3、4的事务，那么max_trx_id 的值就是5
• creator_trx_id：生成该 ReadView 事务的事务ID

在访问某条记录时，只需要按照下面的步骤来判断记录的某个版本是否可见：

• 1.(trx_id == creator_trx_id)若被访问版本的trx_id值与当前 ReadView 中的 creator_trx_id 相同，也就是说当前事务在访问它自己修改过的记录，该版本可以被当前事务访问。
• 2.(trx_id < min_trx_id)若被访问版本的trx_id 值小于 ReadView 的 min_trx_id 值，表明生成该版本的事务在当前事务生成ReadView 以前已经提交，该版本可以被当前事务访问。
• 3.(trx_id >=max_trx_id)若被访问版本的trx_id 值大于或等于 ReadView 中的 max_trx_id ，表明生成该版本的事务在当前事务生成 ReadView 后才开启，该版本可以被当前事务访问。
• 4.(min_trx_id <trx_id < max_trx_id)若被访问版本的trx_id 值介于 ReadView 的 min_trx_id 和 max_trx_id 值之间，需要判断trx_id 属性值是否存在 trx_list 中
  • 如果存在，说明创建 ReadView 时生成该版本的事务还是活跃的，该版本不可以被访问
  • 如果不存在，说明创建 ReadView 时生成该版本的事务已经被提交，因此该版本可以被访问

如果某个版本的数据对当前事务是不可见的，那就顺着版本链找到下一个版本数据，继续执行上面的步骤来判断记录的可见性，依次类推。知道版本中的最后一个版本。如果记录的最后一个版本也不可见，意味着该条记录对当前事务完全不可见，查询结果就不包含该记录。

举例

下面让我们来看看 MVCC 实现的具体流程是怎样的，如下表是事务ID 为2 的事务对某行数据执行了快照读，其中的列表如下：

事务1	事务2	事务3	事务4
事务开始	事务开始	事务开始	事务开始
…	…	…	修改且已提交
进行中	快照读	进行中
…	…	…

那么此时ReadView 的参数值为：

• trx_list：事务1、2、3
• min_trx_id：事务1
• max_trx_id：事务5
• creator_trx_id：事务2

以事务4 版本为例，我们经过上述规则来比较看当前ReadView 能否看见事务4版本的数据：

• 经比较，只有第四条规则满足。此时trx_id 的值是介于min_trx_id 和 max_trx_id 之间，但是不在 trx_list 中，因此经判断该事务已经提交。所以该版本可以被访问。

其实这个规则很好理解，在活跃事务列表里面的，意味还没有提交，除了创建ReadView 的当前事务，其他的事务都不可见。不在列表里面的说明都已经提交，自然可以看见。如下图除了黄色和红色不可见，其他的版本都可见。

三、MVCC 如何解决脏读、不可重复读和虚读

首先回顾一下MySQL的事务隔离级别中的视图

• 读未提交(RU)：它是直接返回记录的最新值，没有视图
• 读已提交(RC)：每次查询都会创建一个ReadView
• 可重复读(RR)：这个ReadView是在事务启动时创建，整个事务存在期间都用这个ReadView
• 串行化(serializable)：直接用加锁的方式来避免并行访问

1.MVCC 解决脏读

在读已提交的MVCC 中，每次查询都会创建一个 ReadView 。由于版本控制的可见性规则，使得当前事务只看的到已经提交的数据，所以这样就避免了看见未提交的数据，从而解决了脏读。

2.MVCC 解决不可重复读

因为RC 级别每次查询都会创建一个 ReadView ，所以对于已提交的事务，由于不能共用一个ReadView ，还是会造成两次读取过程中的不可重复读。所以RR 级别通过使用从启动到结束使用一个 ReadView， 来解决提交两次查询读取不一致的现象。

3.MVCC 到底能不能解决虚读？

先说结论：MVCC可以解决“快照读”，无法解决“当前读”

MVCC 可以解决“快照读”

MVCC 可以解决如不加锁的select。原理就是MVCC 使用快照来控制版本数据读取的范围，从而在 RR 级别避免了虚读。在我上面讲虚读的举例就说明了，在select 快照读时，没有发现新的数据。但是新插入同样的数据却报错，说明MVCC 无法彻底解决虚读。

MVCC 无法解决“当前读”

如果在select 上加锁，使用“当前读”，虚读还是会出现。所以真正要解决虚读，还是得用加锁的形式来解决。所以一般而言，也只有串行化级别才能真正解决虚读。

参考资料

https://www.cnblogs.com/kismetv/p/10331633.html

https://pdai.tech/md/db/sql-mysql/sql-mysql-mvcc.html

https://time.geekbang.org/column/article/68963

https://blog.csdn.net/qq_35590091/article/details/107734005

《MySQL是怎样运行的-从根儿上理解MySQL》