第 21 章 一条记录的多幅面孔——事务的隔离级别与 MVCC

21.1 事前准备

CREATE TABLE hero ( 
    number INT, 
    NAME VARCHAR ( 100 ), 
    country VARCHAR ( 100 ), 
    PRIMARY KEY ( number ) 
) ENGINE = INNODB CHARSET = utf8;

INSERT INTO hero VALUES ( 1, '刘备', '蜀' );

21.2 事务隔离级别

在保证事务隔离性的前提下，使用不同的隔离级别，来尽量提高多个事务访问同一数据的性能。

21.2.1 事务并发执行遇到的问题
  1. 脏写（Dirty Write）：一个事务修改了另一个未提交事务修改过的数据。
  2. 脏读（Dirty Read）：一个事务读到了另一个未提交事务修改过的数据。
  3. 不可重复读（Non-Repeatable Read）：一个事务只能读到另一个已经提交的事务修改过的数据，并且其他事务每对该数据进行一次修改并提交，该事务都能查询得到最新值。
  4. 幻读（Phantom）：一个事务先根据某些条件查询出一些记录，之后另一个事务又向表中插入了符合这些条件的记录，原先的事务再次查询时，能把另一个事务插入的记录也读出来。
21.2.2 SQL 标准中的四种隔离级别

按严重性：

脏写 > 脏读 > 不可重复读 > 幻读

隔离级别中文名脏读不可重复读幻读
READ UNCOMMITTED读未提交PossiblePossiblePossible
READ COMMITTED读已提交Not PossiblePossiblePossible
REPAEATABLE READ可重复读Not PossibleNot PossiblePossible
SERIALIZABLE串行化Not PossibleNot PossibleNot Possible

不论哪种隔离级别，都不允许脏写的情况发生。

21.2.3 MySQL 中支持的四种隔离级别

MySQL 的默认隔离级别为 REPEATABLE READ ，我们可以手动修改一下事务的隔离级别。

# 如何设置事务的隔离级别
# SET [GLOBAL|SESSION] TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;
SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

#  查看当前会话默认的隔离级别
SHOW VARIABLES LIKE 'transaction_isolation';

21.3 MVCC 原理

21.3.1 版本链

对于使用 InnoDB 存储引擎的表来说，它的聚簇索引记录中都包含两个必要的隐藏列：

  1. trx_id：每次一个事务对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把该事务的事务id赋值给 trx_id 隐藏列。
  2. roll_pointer：每次对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把旧的版本写入到 undo log 中，然后这个隐藏列就相当于一个指针，可以通过它来找到该记录修改前的信息。

在这里插入图片描述

Tips：实际上 insert undo 只在事务回滚时起作用，当事务提交后，该类型的 undo log 就没用了。

假设之后有两个事务 id 分别为100和200的事务对这条记录进行 UPDATE 操作：

在这里插入图片描述

对该记录每次更新后，都会将旧值放到一条 undo log 中，就算是该记录的一个旧版本，随着更新次数的增多，所有的版本都会被 roll_pointer 属性连接成一个链表，我们把这个链表称为 版本链，它的头节点就是当前记录最新的值，另外，每个版本还包含生成该版本时对应的事务 id。

在这里插入图片描述

21.3.2 ReadView
  1. 对于 READ UNCOMMITTED 级别的事务来说，直接读取记录的最新版本；
  2. 对于 SERIALIZABLE 级别的事务来说，使用加锁的方式来访问；
  3. 对于 READ COMMITED 和 REPAEATABLE READ 级别的事务来说，必须保证讲到已经提交了的事务修改过的记录，而不能直接读取最新版本版本的记录。那么怎么判断版本链中哪个版本是当前事务可见的？于是便有了 ReadView 的概念。

ReadView 主要包括以下4个重点：

  1. m_ids：表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务的**事务 id **列表
  2. min_trx_id：表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务中最小的**事务 id **，也就是 m_ids 中的最小值。
  3. max_trx_id：表示生成 ReadView 时系统中应该分配给下一个事务的 id 值。
  4. creator_trx_id：表示生成该 ReadView 的事务的 事务 id。

TIPS：只有在对表中的记录做改动时才会为事务分配事务 id，否则在一个只读事务中的事务 id 都默认为 0。

通过 ReadView 就可以判断访问某条记录时，某个版本是否可见：

  1. 如果被访问版本的 trx_id 与 ReadView 中的 creator_trx_id 相同，意味着当前事务在访问它自己修改过的记录，所以该版本可以被当前事务访问。
  2. 如果被访问版本的 trx_id 小于 ReadView 中的 min_trx_id，表明生成该版本的事务在当前事务生成 ReadView 前已经提交，所以该版本可以被当前事务访问。
  3. 如果被访问版本的 trx_id 大于 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，所以该版本不可以被当前事务访问。
  4. 如果被访问版本的 trx_id 属性值在 ReadView 的 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，那就需要判断一下 trx_id 是不是在 m_ids 列表中，如果在，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；如果不在，说明创建 ReadView 时生成该版本的事务已经被提交，该版本可以被访问。
public boolean isShow(long trx_id, long creator_trx_id, long min_trx_id, long max_trx_id, List<Long> m_ids) {
        if (trx_id == creator_trx_id) {
            return true;
        }
        if (trx_id < min_trx_id) {
            return true;
        }
        if (trx_id > max_trx_id) {
            return false;
        }
        return !m_ids.contains(trx_id);
    }

如果某个版本的数据对当前事务不可见的话，那就顺着版本链找到下一个版本，直到最后一个版本。

READ COMMITTED 和 REPEATABLE READ 生成 ReadView 的时机不同。

21.3.2.1 READ COMMITTED——每次读取数据前都生成一个ReadView
# Transaction 100
BEGIN;
UPDATE hero SET name = '关羽' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '张飞' WHERE number = 1;

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

此时 number=1 的记录版本链：

在这里插入图片描述

使用 READ COMMITED 隔离级别的事务开始执行查询：

# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值为'刘备'

SELECT1 的执行过程如下：

  1. 在执行 SELECT 语句时会先生成一个 ReadView：

    {
	m_ids:[100, 200],
    min_trx_id: 100,
    max_trx_id: 201,
    creator_trx_id: 0
}

  2. 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列 name = ‘张飞’ ，trx_id = 100 ，在 m_ids 列表内，所以不符合可见性要求，根据 roll_pointer 跳到下一个版本。

  3. 下一个版本的列 name = ‘关羽’ ，trx_id = 100 ，也在 m_ids 列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。

  4. 下一个版本的列 name = ‘刘备’ ，trx_id = 80 ，小于 ReadView 中的 min_trx_id 值100 ，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列 name 为 ‘刘备’ 的记录。

之后，把事务id=100的事务提交，并使用事务id=200的事务继续更新

# Transaction 100
BEGIN;
UPDATE hero SET name = '关羽' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '张飞' WHERE number = 1;
COMMIT;

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

UPDATE hero SET name = '赵云' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '诸葛亮' WHERE number = 1;

此时 number=1 的记录版本链：

在这里插入图片描述

再次使用 READ COMMITED 隔离级别的事务开始执行查询：

# 使用READ COMMITTED隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200均未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值为'刘备'

# SELECT2：Transaction 100提交，Transaction 200未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值为'张飞

SELECT2 的执行过程如下：

  1. 在执行 SELECT 语句时会先生成一个 ReadView：

    {
	m_ids:[200],
    min_trx_id: 200,
    max_trx_id: 201,
    creator_trx_id: 0
}

  2. 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列 name = ‘诸葛亮’ ，trx_id = 200 ，在 m_ids 列表内，所以不符合可见性要求，根据 roll_pointer 跳到下一个版本。

  3. 下一个版本的列 name = ‘赵云’ ，trx_id = 200 ，也在 m_ids 列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。

  4. 下一个版本的列 name = ‘张飞’ ，trx_id = 100 ，小于 ReadView 中的 min_trx_id 值200 ，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列 name 为 ‘张飞’ 的记录

每次 SELECT 查询都可以读到最新已提交的记录，这就是读已提交

21.3.2.2 REPAEATABLE READ——在第一次读取数据时生成一个ReadView
# Transaction 100
BEGIN;
UPDATE hero SET name = '关羽' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '张飞' WHERE number = 1;

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

此时 number=1 的记录版本链：

在这里插入图片描述

使用 REPAEATABLE READ 隔离级别的事务开始执行查询：

# 使用REPEATABLE READ隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值为'刘备

SELECT1 的执行过程如下：

  1. 在执行 SELECT 语句时会先生成一个 ReadView：

    {
	m_ids:[100, 200],
    min_trx_id: 100,
    max_trx_id: 201,
    creator_trx_id: 0
}

  2. 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列 name = ‘张飞’ ，trx_id = 100 ，在 m_ids 列表内，所以不符合可见性要求，根据 roll_pointer 跳到下一个版本。

  3. 下一个版本的列 name = ‘关羽’ ，该版本的 trx_id = 100 ，也在 m_ids 列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。

  4. 下一个版本的列 name = ‘刘备’ ，该版本的 trx_id = 80 ，小于 ReadView 中的 min_trx_id 值100 ，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列 name 为 ‘刘备’ 的记录。

之后，把事务id=100的事务提交，并使用事务id=200的事务继续更新

# Transaction 100
BEGIN;
UPDATE hero SET name = '关羽' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '张飞' WHERE number = 1;
COMMIT;

# Transaction 200
BEGIN;

# 更新了一些别的表的记录
...

UPDATE hero SET name = '赵云' WHERE number = 1;
UPDATE hero SET name = '诸葛亮' WHERE number = 1;

此时 number=1 的记录版本链：

在这里插入图片描述

再次使用 REPAEATABLE READ 隔离级别的事务开始执行查询：

# 使用 REPEATABLE READ 隔离级别的事务
BEGIN;

# SELECT1：Transaction 100、200均未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值为'刘备'

# SELECT2：Transaction 100提交，Transaction 200未提交
SELECT * FROM hero WHERE number = 1; # 得到的列name的值仍为'刘备

SELECT2 的执行过程如下：

  1. 使用 REPEATABLE READ 隔离级别时，因为之前执行 SELECT1 时已经生成过 ReadView 了，所以此时不再重新生成，而是直接复用之前的 ReadView

    {
	m_ids:[100, 200],
    min_trx_id: 100,
    max_trx_id: 201,
    creator_trx_id: 0
}

  2. 然后从版本链中挑选可见的记录，从图中可以看出，最新版本的列 name = ‘诸葛亮’ ，trx_id = 200 ，在 m_ids 列表内，所以不符合可见性要求，根据 roll_pointer 跳到下一个版本。

  3. 下一个版本 name = ‘赵云’ ，trx_id = 200 ，也在 m_ids 列表内，所以也不符合要求，继续跳到下一个版本。

  4. 下一个版本的列 name = ‘张飞’ ，trx_id = 100 ，也在 m_ids 列表内，所以也不符合要求，同理下一个列 name 的内容是 ‘关羽’ 的版本也不符合要求。继续跳到下一个版本。

  5. 下一个版本的列 name = ‘刘备’ ，trx_id = 80 ，小于 ReadView 中的 min_trx_id 值
    100 ，所以这个版本是符合要求的，最后返回给用户的版本就是这条列 c 为 ‘刘备’ 的记录。

两次 SELECT 查询得到的结果都是相同的，这就是所谓的可重复读。

21.3.3 二级索引与MVCC

前面使用的 trx_id 和 roll_pointer 隐藏列都只存在于聚簇索引，当使用二级索引查询时，该如何判断可见性？

BEGIN;

SELECT name FROM hero WHERE name = '刘备';
  1. 二级索引页面的 Page Header 部分有一个名为 PAGE_MAX_TRX_ID 的属性，每次有事务增删改本页面中的记录时，如果该事务的 id 大于 PAGE_MAX_TRX_ID ，就把这个 id 赋值给 PAGE_MAX_TRX_ID。这也就意味 PAGE_MAX_TRX_ID 是修改该二级索引页面的最大事务 id。
  2. 当 SELECT 语句访问某个二级索引记录时，如果对应的 ReadView 的 min_trx_id 大于该页面的 PAGE_MAX_TRX_ID，说明该页面的所有记录都对该 ReadView 可见，否则执行步骤 3。
  3. 利用二级索引进行回表，得到对应的聚簇索引记录后按照前面说的方式判断是否可见。
21.3.4 MVCC 小结
  1. 所谓 MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）指的就是在使用 READ COMMITED、REPEATABLE READ 这两种隔离级别的事务在执行普通的 SELECT 操作时访问记录的版本链的过程，这样子可以使不同事务的读-写、写-读操作并发执行，从而提升系统性能。
  2. READ COMMITED、REPEATABLE READ 这两种隔离级别主要不同在于生成 ReadView 的时机。
  3. 只有在进行普通 SELECT 查询时，MVCC 才生效。

21.4 关于 purge

在合适的时候把 update undo 日志以及仅仅被标记为删除的记录彻底删除掉，这个删除操作就称为 purge。

21.5 总结

  1. 并发的事务在运行过程中会出现一些可能的引发一致性问题
  2. SQL 标准中有4种隔离级别
  3. 版本链
  4. ReadView

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