海量智库第3期｜Vastbase G100核心技术介绍之【CSN事务快照】

导语：

为了保证数据库事务的一致性和隔离性，Vastbase G100数据库引入了快照隔离技术，即通过事务快照实现事务间的隔离性和一致性。事务快照是一个数据集，存储关于单个事务在某个时间点上事务的活跃状态，活跃事务表示事务正在进行或者尚未启动，对其他事务不可见。

普通事务快照：高并发情况下出现性能瓶颈

普通事务快照包含以下内容：

Ø xmin：最小的活跃事务ID；事务ID小于该值，事务属于已提交或已回滚，是可见的。
Ø xmax：第一个尚未分配的事务ID；事务ID大于或等于该值，事务属于在生成快照时还没有启动，是不可见的。
Ø xip_list：系统中的活跃事务列表，只包括xmin和xmax之间的所有活跃事务。数据库程序使用全局数组（procArray）在共享内存中保存系统中所有事务的状态，对该全局数组的读写操作都需要加锁以保证一致性，比如：事务启动、事务提交、事务回滚都需要修改该全局数组。

在事务处理流程中，普通事务快照的生成步骤如下：

• 首先对procArray加共享锁;
• 计算xmin和xmax, 并拷贝xmin与xmax之间的活跃事务到xip_list;
• 释放锁。

随着数据库系统并发数增加，系统中的活跃事务增加，普通事务快照中的xip_list逐渐变大，导致以下问题：

• 生成快照的时间变长，导致加锁时间变长，阻塞其他事务的启动和提交，容易造成性能瓶颈。
• 事务快照消耗的内存变大。
• 使用快照进行事务间可见性判断时，需要扫描的数据更多。

为了解决上述问题，引入了CSN事务快照。

CSN事务快照：提升高并发场景下的系统性能

CSN (Commit Sequence Number)，事务提交序列号。根据CSN的大小可以判断事务提交的先后顺序，CSN越小表示事务提交越早。如下图所示：
Ø TX1事务ID为1，CSN为1
Ø TX2事务ID为2，CSN为4
Ø TX3事务ID为3，CSN为2

CSN事务快照是对普通事务快照的改进，使用CSN代替普通事务中的xip_list，可有效提升高并发场景下的系统性能。如果事务的CSN比快照CSN小，则表示该事务在当前快照中不可见；如果事务的CSN比快照CSN大，则表示该事务在当前快照中可见。

CSN的实现机制如下：
1. 维护一个全局变量（64位无符号整型）保存系统的下一个CSN值；
2. 事务提交时：

• 取上述变量值为当前事务的CSN，并将上述全局变量值加1；
• 将事务的CSN保存到CSN日志；

3.获取快照时，计算xmin和xmax并取上述全局变量值作为快照的CSN（例如：上图中竖实线所代表的时刻，快照中的CSN为4）。生成CSN事务快照时，不需要拷贝活跃事务列表，减少了锁占用时间，提升了生成快照的性能，也降低了事务快照的内存占用，不会因系统并发数的加大导致性能大幅下降。

判断事务可见性时，处于xmin和xmax之间的事务，只需对比事务CSN与快照CSN的大小即可判断事务在当前快照中的可见性，避免了活跃事务列表扫描，提升了系统性能。CSN日志CSN日志保存系统中事务的CSN。为保证性能，CSN日志以page的方式进行管理，一个page默认8K，每个CSN占8 byte, 因此每个page可以存储1024个事务的CSN。

根据CSN日志结构特点，可以通过事务号计算出事务号关联的CSN的位置，有如下计算公式:
Ø 计算XID关联的CSN所在的page：CSN_PAGE_NO = XID/1024
Ø 计算XID关联的CSN所在page的偏移：CSN_IDNEX = XID%1024

CSN事务快照与普通事务快照对比

笔者利用BenchmarkSQL工具分别在Vastbase G100和PostgreSQL数据库启用32个并发持续测试10分钟，并统计两种数据库获取快照的平均耗时。

经测试，Vastbase G100获取快照耗时比PostgreSQL更短。随着并发数加大，Vastbase G100与PostgreSQL获取快照的耗时差距会逐渐增大。