从零开始学习MySQL的MVCC原理

在数据库的世界里，并发控制是一个核心议题。当多个事务同时访问和修改同一份数据时，如何保证数据的一致性和完整性，避免出现各种并发问题（如脏读、不可重复读、幻读）？MySQL的InnoDB存储引擎采用了一种名为多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control，简称MVCC）的机制来解决这个问题。MVCC的巧妙之处在于，它通过维护数据的多个版本，使得读操作可以在不加锁的情况下访问到一致性的数据快照，从而提高了并发性能。

本文将带你从零开始，深入浅出地理解MySQL的MVCC原理，包括其核心概念、实现机制、以及与其他并发控制机制的比较。

1. 并发控制的挑战与解决方案

在深入MVCC之前，我们先来了解一下数据库并发控制面临的挑战，以及常见的解决方案。

1.1 并发带来的问题

当多个事务并发执行时，如果没有合适的并发控制机制，可能会出现以下问题：

脏读（Dirty Read）： 一个事务读取到了另一个事务未提交的数据。如果未提交的事务最终回滚，那么读取到的数据就是无效的。
不可重复读（Non-Repeatable Read）： 在同一个事务内，多次读取同一数据返回了不同的结果。这是因为在两次读取之间，另一个事务修改并提交了该数据。
幻读（Phantom Read）： 在同一个事务内，多次执行相同的查询，返回了不同的结果集。这是因为在两次查询之间，另一个事务插入或删除了符合查询条件的数据。

1.2 并发控制的常见方案

为了解决这些并发问题，数据库系统通常采用以下两种主要的并发控制机制：

基于锁的并发控制（Lock-Based Concurrency Control）： 通过对数据加锁来控制并发访问。锁的类型包括共享锁（Shared Lock，允许并发读取）和排他锁（Exclusive Lock，独占访问，阻止其他事务读写）。基于锁的机制实现简单，但可能导致死锁和性能下降。
基于多版本的并发控制（Multi-Version Concurrency Control，MVCC）： 通过维护数据的多个版本，使得读操作可以在不加锁的情况下访问到一致性的数据快照。MVCC可以提高并发性能，减少死锁的可能性。

2. MVCC的核心概念

MVCC的核心思想是为每个事务创建一份数据快照，事务的读操作只访问该快照，而不会受到其他事务修改的影响。为了实现这个目标，MVCC引入了以下几个关键概念：

2.1 事务ID（Transaction ID）

每个事务都有一个唯一的事务ID，用于标识事务的开始时间。事务ID通常是单调递增的，保证了事务的先后顺序。在InnoDB中，事务ID是一个6字节的数字。

2.2 数据行版本

每行数据都有多个版本，每个版本都包含了以下隐藏列：

DB_TRX_ID： 创建或最后修改该行数据的事务ID。
DB_ROLL_PTR： 回滚指针，指向该行数据的上一个版本。通过回滚指针，可以将同一行数据的多个版本串联成一个链表，称为版本链。
DB_ROW_ID: 隐含的自增ID（隐藏主键），如果数据表没有主键，InnoDB会自动以DB_ROW_ID产生一个聚簇索引。

2.3 Undo日志（Undo Log）

Undo日志记录了数据修改前的旧版本。当事务需要回滚时，可以通过Undo日志将数据恢复到之前的状态。Undo日志还用于构建数据行的版本链，供MVCC读取历史版本。 Undo日志分为两种：

insert undo log: insert操作产生的undo log, 因为insert操作的记录只对事务本身可见，对其他事务不可见，所以该undo log可以在事务提交后直接删除。
update undo log: update 和delete操作产生的undo log，该undo log可能需要提供MVCC机制使用，因此不能在事务提交时就进行删除。提交时放入undo log 列表，等待purge线程进行最后的删除。

2.4 Read View（读视图）

Read View是MVCC实现一致性读的关键。它是一个事务在开始读取数据时创建的数据快照，包含了当前系统中活跃的事务ID列表。Read View用于判断数据行的哪个版本对当前事务是可见的。Read View主要包含以下几个部分：

m_ids： 创建Read View时，当前系统中活跃的事务ID列表（即未提交的事务）。
min_trx_id： m_ids中的最小值，即最早开始的事务ID。
max_trx_id： m_ids中的最大值加1，表示下一个将被分配的事务ID。
creator_trx_id： 创建Read View的事务ID。

3. MVCC的实现机制

有了以上核心概念，我们就可以深入理解MVCC的实现机制了。

3.1 数据行的可见性判断

当一个事务需要读取一行数据时，InnoDB会根据Read View来判断该行数据的哪个版本是可见的。具体规则如下：

如果DB_TRX_ID < min_trx_id： 表明该行数据是在Read View创建之前就已经提交的事务修改的，因此对当前事务可见。
如果DB_TRX_ID >= max_trx_id： 表明该行数据是在Read View创建之后才开始的事务修改的，或者是由未提交的事务修改的，因此对当前事务不可见。
如果min_trx_id <= DB_TRX_ID < max_trx_id： 需要进一步判断：
- 如果DB_TRX_ID在m_ids列表中，表示该行数据是由一个与当前事务并发执行的未提交事务修改的，因此对当前事务不可见。
- 如果DB_TRX_ID不在m_ids列表中，表示该行数据是由一个已经提交的事务修改的，因此对当前事务可见。
- 如果 DB_TRX_ID 等于 creator_trx_id，表明数据是当前事务自己修改的，因此可见。

如果当前版本不可见，事务会沿着DB_ROLL_PTR指向的版本链查找，直到找到一个可见的版本。

3.2 一致性读（Consistent Read）

一致性读是MVCC的主要应用场景。它指的是在同一个事务内，多次读取同一数据返回相同的结果，即使其他事务修改了该数据。InnoDB通过Read View来实现一致性读。

普通SELECT语句： 在默认的隔离级别（REPEATABLE READ）下，普通SELECT语句使用一致性读。事务第一次读取数据时会创建一个Read View，后续的读取都使用同一个Read View，从而保证读取到的是一致的数据快照。
快照读（Snapshot Read）： 普通SELECT语句在READ COMMITTED隔离级别下，每次读取都会创建一个新的Read View，因此可能读取到其他事务已提交的最新数据。

3.3 当前读（Current Read）

当前读指的是读取数据的最新版本，而不是历史版本。以下操作属于当前读：

SELECT ... LOCK IN SHARE MODE
SELECT ... FOR UPDATE
UPDATE
DELETE
INSERT

当前读会加锁，以防止其他事务修改数据。

3.4 不同隔离级别下的MVCC

MVCC与事务隔离级别密切相关。不同的隔离级别下，Read View的创建时机和可见性规则有所不同：

READ UNCOMMITTED（读未提交）： 不使用MVCC，直接读取数据的最新版本，可能出现脏读。
READ COMMITTED（读已提交）： 每次读取都创建一个新的Read View，可以读取到其他事务已提交的最新数据，避免了脏读，但可能出现不可重复读。
REPEATABLE READ（可重复读）： 事务第一次读取数据时创建一个Read View，后续的读取都使用同一个Read View，避免了脏读和不可重复读，但可能出现幻读。
SERIALIZABLE（串行化）： 通过加锁来实现完全的隔离，避免了所有并发问题，但性能最低。

InnoDB的默认隔离级别是REPEATABLE READ。

4. MVCC的优势与局限性

4.1 优势

提高并发性能： 读操作不加锁，减少了锁竞争，提高了并发性能。
减少死锁： 由于读操作不加锁，减少了死锁的可能性。
实现一致性读： 通过Read View保证了事务读取到一致的数据快照。

4.2 局限性

存储开销： 需要存储数据的多个版本，增加了存储开销。
版本链维护： 需要维护版本链，增加了复杂性。
幻读问题： 在REPEATABLE READ隔离级别下，MVCC无法完全解决幻读问题。需要结合间隙锁（Gap Lock）或Next-Key Lock来解决。

5. MVCC与其他并发控制机制的比较

特性	MVCC	基于锁的并发控制
读操作	不加锁，读取数据快照	可能需要加锁（共享锁或排他锁）
写操作	加锁（排他锁）	加锁（排他锁）
并发性能	较高	较低，容易出现锁竞争
死锁	较少	较多
实现复杂度	较高	较低
存储开销	较高，需要存储数据的多个版本	较低
一致性读	支持	需要通过锁来实现
幻读	在REPEATABLE READ隔离级别下可能出现，需要结合间隙锁或Next-Key Lock	通过锁可以避免

6. 总结

MVCC是MySQL InnoDB存储引擎实现并发控制的重要机制。它通过维护数据的多个版本和Read View，实现了在不加锁的情况下进行一致性读，提高了并发性能，减少了死锁的可能性。理解MVCC的原理对于理解InnoDB的事务隔离级别、并发控制机制以及性能调优都至关重要。

希望本文能够帮助你深入理解MySQL的MVCC原理。如果你有任何问题或建议，欢迎留言讨论。