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MySQL的并发控制与MVCC机制深度解析

目录

    • 1. MySQL中的并发问题
    • 2. 数据库的隔离级别
    • 3. MVCC(多版本并发控制)机制
      • 3.1 MVCC的实现原理
      • 3.2 Read View详解
      • 3.3 当前读与快照读
    • 4. MVCC在不同隔离级别下的工作方式
    • 5. MVCC解决幻读问题
    • 6. MVCC的优缺点
      • 优点:
      • 缺点:
    • 7. MVCC在实际应用中的注意事项

1. MySQL中的并发问题

在多用户数据库系统中,并发操作是不可避免的。然而,并发操作可能会导致一些问题,主要包括:

  1. 脏读:一个事务读取了另一个未提交事务修改过的数据:

    A事务读取B事务修改后的数据返回,然而B事务发生了回滚

脏读

  1. 不可重复读:在同一事务内,多次读取同一数据返回的结果有所不同:

​ A事务多次读取同一个数据,B事务修改了该数据,A事务读到的数据不一样

不可重复读

  1. 幻读:在同一事务内,多次查询返回的结果集不一致:

​ A事务多次读取某些数据(比如查询表的数据总数),B事务插入或者删除了数据,A读取的数据数量发生了变更,像幻觉一样

幻读

注意区分幻读和不可重复读

为了解决这些问题,数据库系统引入了事务隔离级别的概念。

2. 数据库的隔离级别

SQL标准定义了四种隔离级别,从低到高分别是:

  1. 读未提交(Read Uncommitted)
  2. 读已提交(Read Committed)
  3. 可重复读(Repeatable Read)
  4. 串行化(Serializable)

让我们用一个图表来展示这些隔离级别如何解决并发问题:
隔离

MySQL的InnoDB存储引擎默认使用**可重复读(Repeatable Read)**隔离级别。他引入了MVCC来解决这个不可重复读的问题(读已提交也有MVCC,两者之间只是创建快照的时机不同,后面再提)

3. MVCC(多版本并发控制)机制

MVCC是MySQL InnoDB存储引擎用于提高并发性能的一种机制。它的核心思想是:

保存数据在某个时间点的快照,形成一个版本链,使得事务可以看到在事务开始时数据的一致性视图。

3.1 MVCC的实现原理

InnoDB的MVCC主要通过以下几个部分来实现:

  1. 隐藏列:每行数据都有两个隐藏列

    1. DB_TRX_ID:最后一次插入或更新该行的事务ID
    2. DB_ROLL_PTR:回滚指针,指向该行的上一个版本(存储在undo log中)
  2. Undo Log:保存了数据被修改前的旧值,用于回滚和MVCC的数据读取。可以认为undo log存储数据的历史版本,通过指针会形成一个版本链。

  3. Read View:事务进行快照读操作时产生的读视图,用于判断当前事务能够看到哪个版本的数据。

让我们用一个图表来展示MVCC的基本结构:
MVCC

3.2 Read View详解

Read View是MVCC实现的核心,它包含以下重要信息:

  • m_ids:活跃事务列表,在生成Read View时活跃的读写事务ID列表,就是记录当前还未提交的事务列表
  • m_low_limit_id/(m_min_limit_id):活跃事务的最小事务id,就是活跃列表的最小值
  • m_up_limit_id/(m_max_limit_id):下一个事务应该被分配的事务id
  • m_creator_trx_id:生成该Read View的事务ID

注意:事务id是递增分配的

当一个事务要读取一行数据时,InnoDB会将该行的DB_TRX_ID(前面提到的,表示这行数据最近一次发生修改的事务id)与Read View中的信息进行比较,以决定是否可以看到该版本的数据:
1. DB_TRX_ID == m_creator_trx_id:当前读取的事务就是创建快照读的事务,说明就是该事务最近修改了这条数据,因此是可读的;
2. DB_TRX_ID < m_low_limit_id:当这条数据最新更改的事务id小于最小活跃事务id,就说明该事务id是已经提交的事务id,该条数据就可读
3. DB_TRX_ID >= m_up_limit_id:这条数据的最新记录是在快照建立之后执行的,显然属于不可读,根据回滚指针找到合适的历史版本数据进行返回
4. m_low_limit_id < DB_TRX_ID < m_up_limit_id:这条数据最新更改的事务id在最小活跃事务id和最大事务id(下一次分配的事务id)之间,那就需要去扫描活跃事务列表,判断是否有这个id存在:

  1. 有就说明该数据还没有被提交是不可读的,那么他就会根据DB_ROLL_PTR去找到该数据的历史版本,同样会进行判断,直至找到符合可读条件的数据返回
  2. 如果列表没有就表明该事务已经被提交了,就是可读的

快照可读

3.3 当前读与快照读

在InnoDB中,我们有两种读取数据的方式:

  1. 当前读(Current Read)

    1. 读取的是记录的最新版本
    2. 会对读取的记录进行加锁
    3. 常见的当前读操作:SELECT ... FOR UPDATE, SELECT ... LOCK IN SHARE MODE, UPDATE, DELETE
  2. 快照读(Snapshot Read)

    1. 读取的是记录的快照版本
    2. 不会对读取的记录进行加锁
    3. 常见的快照读操作:不带锁的SELECT

让我们用一个图表来说明当前读和快照读的区别:

快照读VS当前读

4. MVCC在不同隔离级别下的工作方式

MVCC主要工作在读已提交可重复读这两个隔离级别下:

  1. 读已提交

    1. 每次读取数据前都会生成一个新的Read View
    2. 能看到其他事务已经提交的修改
  2. 可重复读

    1. 在事务开始时生成一个Read View,并在整个事务过程中使用这个Read View
    2. 保证在同一事务中多次读取数据时结果一致

让我们用一个例子来说明这两种隔离级别下MVCC的工作方式:

MVCC2

5. MVCC解决幻读问题

虽然MVCC可以有效解决不可重复读问题,但对于幻读,它只能提供部分解决方案。在可重复读隔离级别下,MVCC可以防止"快照读"出现幻读,但无法完全阻止"当前读"的幻读问题。

为了进一步解决幻读问题,InnoDB引入了Next-Key Lock(临键锁)机制,它是记录锁(Record Lock)和间隙锁(Gap Lock)的组合。
临键锁

Next-Key Lock不仅锁定查询涉及的索引记录,还锁定这些记录之间的间隙,有效防止了其他事务在查询范围内插入新记录,从而解决了幻读问题。

6. MVCC的优缺点

优点:

  1. 提高并发性:允许读写并发,读操作不会阻塞写操作,写操作也不会阻塞读操作。
  2. 解决一致性问题:提供了一致性的数据视图,避免了脏读和不可重复读问题。
  3. 降低锁竞争:通过版本链和快照读,减少了锁的使用范围,从而提高了系统的整体性能。
  4. 支持时间点查询:可以查询某个时间点的历史数据,对于某些应用场景非常有用。

缺点:

  1. 存储开销:需要额外的存储空间来保存多个版本的数据。
  2. 复杂性:实现和维护MVCC机制相对复杂,增加了数据库系统的复杂度。
  3. 清理问题:需要定期清理无用的历史版本,否则可能导致存储空间的浪费。
  4. 事务大小限制:长事务可能会导致版本链过长,影响性能。

7. MVCC在实际应用中的注意事项

  1. 合理设置隔离级别:根据应用需求选择适当的隔离级别,避免过度使用高隔离级别带来的性能开销。
  2. 控制事务大小:尽量使用短事务,避免长事务导致的版本链过长问题。
  3. 定期维护:对于频繁更新的表,需要定期进行维护操作,如优化表结构、清理无用的历史版本等。
  4. 索引优化:合理设计索引可以提高MVCC的效率,减少不必要的版本链遍历。
  5. 监控与调优:定期监控系统性能,关注MVCC相关的指标,如undo log的大小、长事务的数量等,及时进行调优。

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