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