MySQL隔离性的进阶理解

数据库的并发场景有三种

  • 读-读:没有问题
  • 读-写:有线程安全问题,可能会造成事务隔离性问题,如:脏读,幻读,不可重复读
  • 写-写:有线程安全问题,可能会存在更新丢失问题,比如第一类更新丢失,第二类更新丢失 

读 -- 写 

多版本并发控制(MVCC)是一种用来解决读-写冲突的无锁并发控制 

为事务分配单向增长的ID,为每个修改保存一个版本,版本与事务ID关联,读操作只读该事务开始前的数据库快照。所以MVCC可以为数据库解决以下的问题

  • 在并发读取服务器的时候,可以做到在读的时候不用阻塞写操作,也不会被写操作给阻塞,就是一个畅通无阻,提高了数据库并发功能
  • 同时还可以解决脏读,幻读,不可重复读等事务隔离性问题,但不能解决更新丢失的问题

理解MVCC:

  • Read View
  • undo日志
  • 3个记录隐藏字段 

想要理解MVCC就要从这三个关键字段开始讲起:

3个记录隐藏列字段:

  • DB_TRX_ID(6 BYTE):最近(修改/插入) 事务ID,记录(创建这条记录/最后一次修改该记录的事务ID)
  • DB_ROLL_PTR(7 BYTE):回滚指针,指向这条记录的上一个版本(指向历史版本,这些数据一般在undo日志中)
  • DB_ROW_ID(6 BYTE):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

假设一个测试表如下:

mysql> create table if not exists student(
 name varchar(11) not null,
 age int not null
);

mysql> insert into student (name, age) values ('张三', 28);
Query OK, 1 row affected (0.05 sec)
mysql> select * from student;
+--------+-----+
| name  | age |
+--------+-----+
| 张三  |  28 |
+--------+-----+
1 row in set (0.00 sec)

在MVCC看来:

name           age DB_TRX_ID(创建该记录的事务ID) DB_ROW_ID(隐式主键) DB_ROLL_PTR(回滚指针)
张三        28 null 1 null

我们目前并不知道创建该记录的事务ID,隐式主键,我们就默认设置成null,1。第一条记录也没有其他版本,我们设置回滚指针为null。 

 

 undo日志:

MySQL 将来是以服务进程的方式,在内存中运行。我们之前所讲的所有机制:索引,事务,隔离性,日志等,都是在内存中完成的,即在 MySQL 内部的相关缓冲区中,保存相关数据,完成各种判断操作。然后在合适的时候,将相关数据刷新到磁盘当中的。所以,我们这里理解undo log,简单理解成,就是 MySQL 中的一段内存缓冲区,用来保存日志数据的就行。

模拟MVCC:

 现在有一个事务10,对student表中记录进行修改;将张三改成李四

  • 事务10,因为要修改,所以要先给该记录加行锁
  • 修改前,现将改行记录拷贝到undo log中,所以,undo log中就有了一行副本数据。(原理就是写时拷贝)
  • 所以现在 MySQL 中有两行同样的记录。现在修改原始记录中的name,改成 '李四'。并且修改原始记录的隐藏字段 DB_TRX_ID 为当前 事务10 的ID, 我们默认从 10 开始,之后递增。而原始记录的回滚指针 DB_ROLL_PTR 列,里面写入undo log中副本数据的地址,从而指向副本记录,既表示我的上一个版本就是它。
  • 事务10提交,释放锁。

MySQL隔离性的进阶理解_第1张图片 此时进来一个新的事务,要对student表中的数据进行修改,把age=28改成age=38

  • 事务11,因为也要修改,所以要先给该记录加行锁
  • 修改前,现将改行记录拷贝到undo log中,所以,undo log中就又有了一行副本数据。此时,新的副本,我们采用头插方式,插入undo log。
  • 现在修改原始记录中的age,改成 38。并且修改原始记录的隐藏字段 DB_TRX_ID 为当前 事务11 的ID。而原始记录的回滚指针 DB_ROLL_PTR 列,里面写入undo log中副本数据的地址,从而指向副本记录,既表示我的上一个版本就是它。

这样,我们就有了一个基于链表记录的历史版本链。所谓的回滚,无非就是用历史数据,覆盖当前数据

上面的更新都是update ,如果是delete呢,还能形成版本链吗?当然ok,delete不是真的删除而是设置flag标志位。

那insert呢,他没有历史版本?如果他之前没有历史版本,但是我们为了能够回滚,insert的数据也要被放进缓存undo log日志中,如果当前的事务commit了,那么之前的undo log的历史insert记录就可以被清空了

那么select 呢

首先select不会对数据有任何的修改,所以不需要为select维护多个版本没有意义。

但是此时的select读取,是读取最新的版本呢,还是读取历史的版本

  • 当前读:读取最新的记录,就是当前读。增删改,都叫当前读,select也有可能当前读
  • 快照读:读取历史版本(一般而言),就叫快照读 

这里可以看到,多个事务增删查的时候,都是当前读,都要加锁。那么同时有select过来,如果也要读最新版的话,那它也要加锁,这就是串行化

但如果是快照读,读取历史版本的话,就不需要收到加锁的限制。可以并行执行不会阻塞,也提高了效率,这即是MVCC 意义所在

那什么决定了select是当前度还是快照读呢?

隔离级别!! 

经过上面的操作可以知道,事务从begin->CRUD->commit是有一个阶段的。也就是事务有执行前,执行中,和执行后的阶段,不管启动多少个事务,总得有个先后问题的

那么多个事务在执行的过程当中,CURD操作会交错在一起,那么为了保证事务的先后顺序,是不是应该让不同的事务看到它该看到的内容,这就是所谓隔离性和隔离级别要解决的问题 

Read View:

ReadView就是事务进行 快照读 操作的时候生产的 读视图 ,在该事物执行快照度的那一刻,会生成数据库系统当前的一个快照,记录并维护当前活跃事务的ID(当每个事务开启时,都会被分配一个ID,ID是递增的,所以越新的事务ID越大)

 Read View 在 MySQL 源码中,就是一个类,本质是用来进行可见性判断的。 即当我们某个事务执行快照读的时候,对该记录创建一个 Read View 读视图,把它比作条件,用来判断当前事务能够看到哪个版本的数据,既可能是当前最新的数据,也有可能是该行记录的 undo log 里面的某个版本的数据。

ReadView结构,简化后版本:

class ReadView {
 // 省略...
private:
 /** 高水位,大于等于这个ID的事务均不可见*/
 trx_id_t m_low_limit_id

/** 低水位:小于这个ID的事务均可见 */
 trx_id_t m_up_limit_id;

 /** 创建该 Read View 的事务ID*/
 trx_id_t m_creator_trx_id;

 /** 创建视图时的活跃事务id列表*/
 ids_t m_ids;

 /** 配合purge,标识该视图不需要小于m_low_limit_no的UNDO LOG,
 * 如果其他视图也不需要,则可以删除小于m_low_limit_no的UNDO LOG*/
 trx_id_t m_low_limit_no;

 /** 标记视图是否被关闭*/
 bool m_closed;
 // 省略...
};

m_ids;            //一张列表,用来维护Read View生成时刻,系统正活跃的事务ID
up_limit_id;      //记录m_ids列表中事务ID最小的ID(没有写错)
low_limit_id;     //ReadView生成时刻系统尚未分配的下一个事务ID,也就是目前已出现过的事务ID的最大值+1(也没有写错)
creator_trx_id    //创建该ReadView的事务ID

一张图解决所有问题:

MySQL隔离性的进阶理解_第2张图片

MySQL隔离性的进阶理解_第3张图片 

如果查到不应该看到当前版本,接下来就是遍历下一个版本,上面已经形成一种版本链看不见最后会指向(null),直到符合条件,即可以看到。上面的readview 是当你进行select的时候,会自动形成

即上面第二张彩图:按道理第一次的快照应该看不到3的最新版本,但是如果事务3在之前也commit过那就有历史版本,根据链式关系他会一直找到能够看到的版本,即符合像上面事务1、2的形式

例子1: 

事务A操作 事务A描述 事务B操作 事务B描述
beign 开启事务 begin 开启事务
select *from user 快照读 select*from user 快照读事务
update user set age=18 where id = 1 更新age=18
commit 提交事务
select *from  没有读到age=18
select*form user lock in share mode 当前读读到age=18

例子2:

事务A操作 事务A描述 事务B操作 事务B描述
beign 开启事务 begin 开启事务
select *from user 快照读 select*from user 快照读事务
update user set age=18 where id = 1 更新age=18
commit 提交事务
select *from  :读到age=28
select*form user lock in share mode 当前读读到age=28
  •  用例1与用例2:唯一区别仅仅是 表1 的事务B在事务A修改age前 快照读 过一次age数据
  • 而 表2 的事务B在事务A修改age前没有进行过快照读。

结论:

  • 事务中快照读的结果是非常依赖该事务首次出现快照读的地方,即某个事务中首次出现快照读,决定该事务后续快照读结果的能力
  • delete同样如此

RR与RC的本质区别:

  • 正是Read View生成时机的不同,从而造成RC,RR级别下快照读的结果的不同
  • 在RR级别下的某个事务的对某条记录的第一次快照读会创建一个快照及Read View, 将当前系统活跃的其他事务记录起来
  • 此后在调用快照读的时候,还是使用的是同一个Read View,所以只要当前事务在其他事务提交更新之前使用过快照读,那么之后的快照读使用的都是同一个Read View,所以对之后的修改不可见;
  • 即RR级别下,快照读生成Read View时,Read View会记录此时所有其他活动事务的快照,这些事务的修改对于当前事务都是不可见的。而早于Read View创建的事务所做的修改均是可见
  • 而在RC级别下的,事务中,每次快照读都会新生成一个快照和Read View, 这就是我们在RC级别下的事务中可以看到别的事务提交的更新的原因
  • 总之在RC隔离级别下,是每个快照读都会生成并获取最新的Read View;而在RR隔离级别下,则是同一个事务中的第一个快照读才会创建Read View, 之后的快照读获取的都是同一个Read View。
  • 正是RC每次快照读,都会形成Read View,所以,RC才会有不可重复读问题

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