MySQL MVCC详解

前言

MVCC实现原理

UndoLog版本链

ReadView

MVCC是否可以解决不可重复读与幻读

隔离级别

READ UNCOMMITTED - 读未提交与脏读

READ COMMITTED - 读已提交与不可重复读

REPEATABLE READ - 可重复读与幻读

SERIALIZABLE - 串行化

小结

前言

为了提高数据库并发能力，首先应该想到的就是多线程，但是多线程带来的线程安全问题又不得不考虑。通常采用加锁解决，但这个锁的粒度和锁策略是至关重要的。MVCC全称MultiVersioned ConcurrencyControl（多版本并发控制），MVCC使用了锁、UndoLog以及ReadView配合来完成这件事情。

MVCC实现原理

UndoLog版本链

MVCC的实现是基于 Undo Log 版本链和 ReadView 来完成的，Undo Log做为回滚的基础，在执行Update或Delete操作时，会将每次操作的上一个版本记录在Undo Log中，每条Undo Log中都记录⼀个叫做 roll_pointer 的引用信息，通过 roll_pointer 就可以将某条数据对应的Undo Log组织成⼀个Undo链，在数据行的头部通过数据行中的 roll_pointer 与Undo Log中的第⼀条日志进行关联，这样就构成一条完整的数据版本链。

每一条被修改的记录都会有一条版本链，体现了这条记录的所有变更，当有事务对这条数据进行修改时，将修改后的数据链接到版本链接的头部。

ReadView

每条数据的版本链都构造好之后，在查询时具体选择哪个版本呢？这⾥就需要使用 ReadView 结构来实现了，所谓 ReadView 是⼀个内存结构，顾名思义是⼀个视图，在事务使用 select 查询数据时就会构造⼀个ReadView，里面记录了该版本链的一些统计值，这样在后续查询处理时就不用遍历所有版本链了，这些统计值具体包括：

m_ids ：当前所有活跃事务的集合（活跃事务：未提交的事务）
m_low_limit_id ：活跃事务集合中最小事务Id
m_up_limit_id ：下⼀个将被分配的事务Id，也就是版本链头的事务Id + 1
m_creator_trx_id ：创建当前 ReadView 的事务Id

构造好 ReadView 之后需要根据一定的查询规则找到唯一的可用版本，会在UndoLog版本连中找到select查询具体记录版本的链头，从链头开始遍历所有版本，根据四步查找规则，判断每个版本是否符合要求，如果某个版本符合要求则返回该版本数据。

第一步：判断该版本是否为当前事务创建，若 m_creator_trx_id 等于该版本事务id，意味着读取自己修改的数据，可以直接访问，如果不等则到第二步
第⼆步：若该版本事务Id < m_up_limit_id (最⼩事务Id)，意味着该版本在ReadView⽣成之前已经提交，可以直接访问，如果不是则到第三步
第三步：若该版本事务Id >= m_low_limit_id (最大事务Id)，意味着该版本在ReadView生成之后才创建，所以肯定不能被当前事务访问，因为该条记录无法判断是否提交，所以无需第四步判断，直接遍历下一个版本，如果不是则到第四步
第四步：若该版本事务Id在 m_up_limit_id (最小事务Id)和 m_low_limit_id (最大事务Id)之间，同时该版本不在活跃事务列表中，意味着创建ReadView时该版本已经提交，可以直接访问，如果不是则遍历并判断下一个版本

这样从版本链头遍历判断到版本链尾，找到⾸个符合要求的版本即可，就可以实现查询到的结果都是已经提交事务的数据，那么就可以解决脏读问题。

MVCC是否可以解决不可重复读与幻读

⾸先幻读无法通过MVCC单独解决，InnoDB在可重复读隔离级别下使用临建锁，锁住某条记录以及该记录之前的间隙，可以解决大部分幻读问题，但无法从根本上解决幻读问题
对于不可重复读问题，在事务中的第⼀个查询时创建⼀个ReadView，后续查询都是⽤这个ReadView进行判断，所以每次的查询结果都是一样的，从而解决不可重复读问题，在REPEATABLE READ 可重复读，隔离级别下就采用的这种方式
如果事务每次查询都创建⼀个新的ReadView，这样就会出现不可重复读问题，因为不同的ReadView中参数可能不一致，那么在UndoLog中找到的数据就可能不一致，在 READ COMMITTED 读已提交的隔离级别下就是这种实现方式

这些机制加上锁就可以实现MySQL的四种隔离性

隔离级别

READ UNCOMMITTED - 读未提交与脏读

实现方式

读取时：不加任何锁，直接读取版本链中的最新版本，也就是当前读，可能会出现脏读，不可重复读、幻读问题
更新时：加共享行锁(S锁)，事务结束时释放，在数据修改完成之前，其他事务不能修改当前数据，但可以被其他事务读取

存在问题

事务的 READ UNCOMMITTED 隔离级别不使用独占锁，所以并发性能很高，但是会出现大量的数据安全问题。

比如在事务A中执行了一条 INSERT 语句，在没有执行 COMMIT 的情况下，会在事务B中被读取到，此时如果事务A执行回滚操作，那么事务B中读取到事务A写入的数据将没有意义，这个现象叫做 "脏读"。

注意：

由于 READ UNCOMMITTED 读未提交会出现"脏读"现象，在正常的业务中出现这种问题会产生非常危重后果，所以正常情况下应该避免使用 READ UNCOMMITTED 读未提交这种的隔离级别。

READ COMMITTED - 读已提交与不可重复读

实现方式

读取时：不加锁，但使⽤快照读，即按照 MVCC 机制读取符合 ReadView 要求的版本数据，每次查询都会构造一个新的 ReadView ，可以解决脏读，但无法解决不可重复读和幻读问题
更新时：加独占行锁(X)，事务结束时释放，数据在修改完毕之前，其他事务不能修改也不能读取这行数据

存在问题

为了解决脏读问题，可以把事务的隔离级别设置为 READ COMMITTED ，这时事务只能读到了其他事务提交之后的数据，但会出现不可重复读的问题，核心原因就是每次快照读都会构造新的ReadView。

比如事务A先对某条数据进行了查询，之后事务B对这条数据进行了修改，并且提交( COMMIT )事务，事务A再对这条数据进行查询时，得到了事务B修改之后的结果，这导致了事务A在同一个事务中以相同的条件查询得到了不同的值，这个现象要"不可重复读"。

REPEATABLE READ - 可重复读与幻读

实现方式

读取时：不加锁，也使⽤快照读，按照MVCC机制读取符合ReadView要求的版本数据，但无论事务中有几次查询，只会在⾸次查询时生成一个ReadView，可以解决脏读、不可重复读，配合Next-Key行锁可以解决一部分幻读问题
更新时：加Next-Key行锁，事务结束时释放，在一个范围内的数据修改完成之前，其他事务不能对这个范围内的数据进行修改、插入和删除操作，同时也不能被查询

存在问题

事务的 REPEATABLE READ 隔离级别是会出现幻读问题的，在 InnoDB 中使用了Next-Key行锁来解决大部分场景下的幻读问题，那么在不加 Next-Key 行锁的情况下会出现什么问题吗？

使用 Next-Key 锁，锁住的是当前索引记录以及索引记录前面的间隙，那么在不加 NextKey 锁的情况下，也就是只对当前修改行加了独占行锁(X)，这时记录前的间隙没有被锁定，其他的事务就可以向这个间隙中插入记录，就会导致一个问题如下：

比如事务A查询了一个区间的记录得到结果集A，事务B向这个区间的间隙中写入了⼀条记录，事务A再查询这个区间的结果集时会查到事务B新写入的记录得到结果集B，两次查询的结果集不一致，这个现象就是"幻读“ 。

SERIALIZABLE - 串行化

实现方式

读取时：加共享表锁，读取版本链中的最新版本，事务结束时释放
更新时：加独占表锁，事务结束时释放，完全串行操作，可以解决所有事务问题

存在问题

所有的更新都是串行操作，效率极低

小结

当理解了不同隔离级别下实现原理与所存在的问题时，可以修改数据库隔离级别进行问题重现，理论与实操结合，相信你会有很大收获。

这里提供一些可能会用到的命令

# 开启事务
START TRANSACTION;
# 提交事务
commit;
# 回滚事务
rollback;
# 查看全局作用域隔离级别
SELECT @@GLOBAL.transaction_isolation;
# 查看会话作用域隔离级别
SELECT @@SESSION.transaction_isolation;
# 通过GLOBAL|SESSION分别指定不同作用域下隔离级别
SET [GLOBAL|SESSION] TRANSACTION ISOLATION LEVEL level|access_mode;
# 隔离级别level: 
    REPEATABLE READ # 可重复读
    READ COMMITTED # 读已提交
    READ UNCOMMITTED # 读未提交
    SERIALIZABLE # 串⾏化
# 访问模式access_mode: 
    READ WRITE # 表⽰事务可以对数据进⾏读写
    READ ONLY # 表⽰事务是只读，不能对数据进⾏读写