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卷起來！！！看了這篇文章我才知道MySQL事務&MVCC到底是啥？

2023-03-15 07:57:51 後端開發

事務基礎

  1. 事務

事務 是一組操作的集合，它是一個不可分割的作業單位，事務會把所有的操作作為一個整體一起向系統提交或撤銷操作請求，即這些操作要么同時成功，要么同時失敗，

  1. 特性
  • 原子性（Atomicity）：事務是不可分割的最小操作單元，要么全部成功，要么全部失敗，
  • 一致性（Consistency）：事務完成時，必須使所有的資料都保持一致狀態，
  • 隔離性（Isolation）：資料庫系統提供的隔離機制，保證事務在不受外部并發操作影響的獨立環境下運行，
  • 持久性（Durability）：事務一旦提交或回滾，它對資料庫中的資料的改變就是永久的，

那實際上，我們研究事務的原理，就是研究MySQL的InnoDB引擎是如何保證事務的這四大特性的，

file

而對于這四大特性，實際上分為兩個部分， 其中的原子性、一致性、持久化，實際上是由InnoDB中的兩份日志來保證的，一份是redo log日志，一份是undo log日志， 而持久性是通過資料庫的鎖，加上MVCC來保證的，

file

接下來主要就是來研究一下redolog，undolog以及MVCC，

redo log

重做日志，記錄的是事務提交時資料頁的物理修改，是用來實作事務的持久性，

該日志檔案由兩部分組成：重做日志緩沖（redo log buffer）以及重做日志檔案（redo log file）,前者是在記憶體中，后者在磁盤中，當事務提交之后會把所有修改資訊都存到該日志檔案中, 用于在重繪臟頁到磁盤,發生錯誤時, 進行資料恢復使用，

如果沒有redolog，可能會存在什么問題的？ 我們一起來分析一下，

我們知道，在InnoDB引擎中的記憶體結構中，主要的記憶體區域就是緩沖池，在緩沖池中快取了很多的資料頁， 當我們在一個事務中，執行多個增刪改的操作時，InnoDB引擎會先操作緩沖池中的資料，如果緩沖區沒有對應的資料，會通過后臺執行緒將磁盤中的資料加載出來，存放在緩沖區中，然后將緩沖池中的資料修改，修改后的資料頁我們稱為臟頁， 而臟頁則會在一定的時機，通過后臺執行緒重繪到磁盤中，從而保證緩沖區與磁盤的資料一致， 而緩沖區的臟頁資料并不是實時重繪的，而是一段時間之后將緩沖區的資料重繪到磁盤中，假如重繪到磁盤的程序出錯了，而提示給用戶事務提交成功，而資料卻沒有持久化下來，這就出現問題了，沒有保證事務的持久性，

file

那么，如何解決上述的問題呢？ 在InnoDB中提供了一份日志 redo log，接下來我們再來分析一下，通過redolog如何解決這個問題，

file

有了redolog之后，當對緩沖區的資料進行增刪改之后，會首先將操作的資料頁的變化，記錄在redo log buffer中，在事務提交時，會將redo log buffer中的資料重繪到redo log磁盤檔案中，過一段時間之后，如果重繪緩沖區的臟頁到磁盤時，發生錯誤，此時就可以借助于redo log進行資料恢復，這樣就保證了事務的持久性， 而如果臟頁成功重繪到磁盤 或 或者涉及到的資料已經落盤，此時redolog就沒有作用了，就可以洗掉了，所以存在的兩個redolog檔案是回圈寫的，

那為什么每一次提交事務，要重繪redo log 到磁盤中呢，而不是直接將buffer pool中的臟頁重繪到磁盤呢 ?

因為在業務操作中，我們操作資料一般都是隨機讀寫磁盤的，而不是順序讀寫磁盤， 而redo log在往磁盤檔案中寫入資料，由于是日志檔案，所以都是順序寫的，順序寫的效率，要遠大于隨機寫， 這種先寫日志的方式，稱之為 WAL（Write-Ahead Logging），

undo log

回滾日志，用于記錄資料被修改前的資訊 , 作用包含兩個 : 提供回滾(保證事務的原子性) 和MVCC(多版本并發控制) ，

undo log和redo log記錄物理日志不一樣，它是邏輯日志，可以認為當delete一條記錄時，undolog中會記錄一條對應的insert記錄，反之亦然，當update一條記錄時，它記錄一條對應相反的update記錄，當執行rollback時，就可以從undo log中的邏輯記錄讀取到相應的內容并進行回滾，

Undo log銷毀：undo log在事務執行時產生，事務提交時，并不會立即洗掉undo log，因為這些日志可能還用于MVCC，

Undo log存盤：undo log采用段的方式進行管理和記錄，存放在前面介紹的 rollback segment回滾段中，內部包含1024個undo log segment，

MVCC

基本概念

  1. 當前讀

讀取的是記錄的最新版本，讀取時還要保證其他并發事務不能修改當前記錄，會對讀取的記錄進行加鎖，對于我們日常的操作，如：select ... lock in share mode(共享鎖)，select ...for update、update、insert、delete(排他鎖)都是一種當前讀，

測驗:

file

在測驗中我們可以看到，即使是在默認的RR隔離級別下，事務A中依然可以讀取到事務B最新提交的內容，因為在查詢陳述句后面加上了 lock in share mode 共享鎖，此時是當前讀操作，當然，當我們加排他鎖的時候，也是當前讀操作，

  1. 快照讀

簡單的select（不加鎖）就是快照讀，快照讀，讀取的是記錄資料的可見版本，有可能是歷史資料，不加鎖，是非阻塞讀，

  • Read Committed：每次select，都生成一個快照讀，
  • Repeatable Read：開啟事務后第一個select陳述句才是快照讀的地方，
  • Serializable：快照讀會退化為當前讀，

測驗:

file
在測驗中,我們看到即使事務B提交了資料,事務A中也查詢不到， 原因就是因為普通的select是快照讀，而在當前默認的RR隔離級別下，開啟事務后第一個select陳述句才是快照讀的地方，后面執行相同的select陳述句都是從快照中獲取資料，可能不是當前的最新資料，這樣也就保證了可重復讀，

  1. MVCC

全稱 Multi-Version Concurrency Control，多版本并發控制，指維護一個資料的多個版本，使得讀寫操作沒有沖突，快照讀為MySQL實作MVCC提供了一個非阻塞讀功能，MVCC的具體實作，還需要依賴于資料庫記錄中的三個隱式欄位、undo log日志、readView，

接下來，我們再來介紹一下InnoDB引擎的表中涉及到的隱藏欄位 、undolog 以及 readview，從而來介紹一下MVCC的原理，

隱藏欄位

介紹

file

當我們創建了上面的這張表，我們在查看表結構的時候，就可以顯式的看到這三個欄位， 實際上除了這三個欄位以外，InnoDB還會自動的給我們添加三個隱藏欄位及其含義分別是：

隱藏欄位 含義
DB_TRX_ID 最近修改事務ID，記錄插入這條記錄或最后一次修改該記錄的事務ID，
DB_ROLL_PTR 回滾指標，指向這條記錄的上一個版本，用于配合undo log，指向上一個版本，
DB_ROW_ID 隱藏主鍵，如果表結構沒有指定主鍵，將會生成該隱藏欄位，

而上述的前兩個欄位是肯定會添加的， 是否添加最后一個欄位DB_ROW_ID，得看當前表有沒有主鍵，如果有主鍵，則不會添加該隱藏欄位，

測驗

  1. 查看有主鍵的表 stu

進入服務器中的 /var/lib/mysql/MySQL_Advanced/ , 查看stu的表結構資訊, 通過如下指令:

ibd2sdi stu.ibd

查看到的表結構資訊中，有一欄 columns，在其中我們會看到處理我們建表時指定的欄位以外，還有額外的兩個欄位 分別是：DB_TRX_ID 、 DB_ROLL_PTR ，因為該表有主鍵，所以沒有DB_ROW_ID隱藏欄位，

            {
                "name": "DB_TRX_ID",
                "type": 10,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
                "ordinal_position": 4,
                "char_length": 6,
                "numeric_precision": 0,
                "numeric_scale": 0,
                "numeric_scale_null": true,
                "datetime_precision": 0,
                "datetime_precision_null": 1,
                "has_no_default": false,
                "default_value_null": true,
                "srs_id_null": true,
                "srs_id": 0,
                "default_value": "",
                "default_value_utf8_null": true,
                "default_value_utf8": "",
                "default_option": "",
                "update_option": "",
                "comment": "",
                "generation_expression": "",
                "generation_expression_utf8": "",
                "options": "",
                "se_private_data": "table_id=1074;",
                "engine_attribute": "",
                "secondary_engine_attribute": "",
                "column_key": 1,
                "column_type_utf8": "",
                "elements": [],
                "collation_id": 63,
                "is_explicit_collation": false
            },
            {
                "name": "DB_ROLL_PTR",
                "type": 9,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
                "ordinal_position": 5,
                "char_length": 7,
                "numeric_precision": 0,
                "numeric_scale": 0,
                "numeric_scale_null": true,
                "datetime_precision": 0,
                "datetime_precision_null": 1,
                "has_no_default": false,
                "default_value_null": true,
                "srs_id_null": true,
                "srs_id": 0,
                "default_value": "",
                "default_value_utf8_null": true,
                "default_value_utf8": "",
                "default_option": "",
                "update_option": "",
                "comment": "",
                "generation_expression": "",
                "generation_expression_utf8": "",
                "options": "",
                "se_private_data": "table_id=1074;",
                "engine_attribute": "",
                "secondary_engine_attribute": "",
                "column_key": 1,
                "column_type_utf8": "",
                "elements": [],
                "collation_id": 63,
                "is_explicit_collation": false
            }
  1. 查看沒有主鍵的表 employee

建表陳述句：

create table employee (id int , name varchar(10));

此時，我們再通過以下指令來查看表結構及其其中的欄位資訊：

ibd2sdi employee.ibd

查看到的表結構資訊中，有一欄 columns，在其中我們會看到處理我們建表時指定的欄位以外，還有額外的三個欄位 分別是：DB_TRX_ID 、 DB_ROLL_PTR 、DB_ROW_ID，因為employee表是沒有指定主鍵的，

            {
                "name": "DB_ROW_ID",
                "type": 10,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
                "ordinal_position": 3,
                "char_length": 6,
                "numeric_precision": 0,
                "numeric_scale": 0,
                "numeric_scale_null": true,
                "datetime_precision": 0,
                "datetime_precision_null": 1,
                "has_no_default": false,
                "default_value_null": true,
                "srs_id_null": true,
                "srs_id": 0,
                "default_value": "",
                "default_value_utf8_null": true,
                "default_value_utf8": "",
                "default_option": "",
                "update_option": "",
                "comment": "",
                "generation_expression": "",
                "generation_expression_utf8": "",
                "options": "",
                "se_private_data": "table_id=1076;",
                "engine_attribute": "",
                "secondary_engine_attribute": "",
                "column_key": 1,
                "column_type_utf8": "",
                "elements": [],
                "collation_id": 63,
                "is_explicit_collation": false
            },
            {
                "name": "DB_TRX_ID",
                "type": 10,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
                "ordinal_position": 4,
                "char_length": 6,
                "numeric_precision": 0,
                "numeric_scale": 0,
                "numeric_scale_null": true,
                "datetime_precision": 0,
                "datetime_precision_null": 1,
                "has_no_default": false,
                "default_value_null": true,
                "srs_id_null": true,
                "srs_id": 0,
                "default_value": "",
                "default_value_utf8_null": true,
                "default_value_utf8": "",
                "default_option": "",
                "update_option": "",
                "comment": "",
                "generation_expression": "",
                "generation_expression_utf8": "",
                "options": "",
                "se_private_data": "table_id=1076;",
                "engine_attribute": "",
                "secondary_engine_attribute": "",
                "column_key": 1,
                "column_type_utf8": "",
                "elements": [],
                "collation_id": 63,
                "is_explicit_collation": false
            },
            {
                "name": "DB_ROLL_PTR",
                "type": 9,
                "is_nullable": false,
                "is_zerofill": false,
                "is_unsigned": false,
                "is_auto_increment": false,
                "is_virtual": false,
                "hidden": 2,
                "ordinal_position": 5,
                "char_length": 7,
                "numeric_precision": 0,
                "numeric_scale": 0,
                "numeric_scale_null": true,
                "datetime_precision": 0,
                "datetime_precision_null": 1,
                "has_no_default": false,
                "default_value_null": true,
                "srs_id_null": true,
                "srs_id": 0,
                "default_value": "",
                "default_value_utf8_null": true,
                "default_value_utf8": "",
                "default_option": "",
                "update_option": "",
                "comment": "",
                "generation_expression": "",
                "generation_expression_utf8": "",
                "options": "",
                "se_private_data": "table_id=1076;",
                "engine_attribute": "",
                "secondary_engine_attribute": "",
                "column_key": 1,
                "column_type_utf8": "",
                "elements": [],
                "collation_id": 63,
                "is_explicit_collation": false
            }
        ],

undolog

介紹

回滾日志，在insert、update、delete的時候產生的便于資料回滾的日志，

當insert的時候，產生的undo log日志只在回滾時需要，在事務提交后，可被立即洗掉，

而update、delete的時候，產生的undo log日志不僅在回滾時需要，在快照讀時也需要，不會立即被洗掉，

版本鏈

有一張表原始資料為：

file

DB_TRX_ID : 代表最近修改事務ID，記錄插入這條記錄或最后一次修改該記錄的事務ID，是自增的，

DB_ROLL_PTR： 由于這條資料是才插入的，沒有被更新過，所以該欄位值為null，

然后，有四個并發事務同時在訪問這張表，

A. 第一步

file

當事務2執行第一條修改陳述句時，會記錄undo log日志，記錄資料變更之前的樣子; 然后更新記錄，并且記錄本次操作的事務ID，回滾指標，回滾指標用來指定如果發生回滾，回滾到哪一個版本，

file

B.第二步

file

當事務3執行第一條修改陳述句時，也會記錄undo log日志，記錄資料變更之前的樣子; 然后更新記錄，并且記錄本次操作的事務ID，回滾指標，回滾指標用來指定如果發生回滾，回滾到哪一個版本，

file

C. 第三步

file

當事務4執行第一條修改陳述句時，也會記錄undo log日志，記錄資料變更之前的樣子; 然后更新記錄，并且記錄本次操作的事務ID，回滾指標，回滾指標用來指定如果發生回滾，回滾到哪一個版本，

file

最終我們發現，不同事務或相同事務對同一條記錄進行修改，會導致該記錄的undolog生成一條記錄版本鏈表，鏈表的頭部是最新的舊記錄，鏈表尾部是最早的舊記錄，

readview

ReadView（讀視圖）是 快照讀 SQL執行時MVCC提取資料的依據，記錄并維護系統當前活躍的事務（未提交的）id，

ReadView中包含了四個核心欄位：

欄位 含義
m_ids 當前活躍的事務ID集合
min_trx_id 最小活躍事務ID
max_trx_id 預分配事務ID，當前最大事務ID+1（因為事務ID是自增的）
creator_trx_id ReadView創建者的事務ID

而在readview中就規定了版本鏈資料的訪問規則：

trx_id 代表當前undolog版本鏈對應事務ID，

條件 是否可以訪問 說明
trx_id == creator_trx_id 可以訪問該版本 成立，說明資料是當前這個事務更改的，
trx_id < min_trx_id 可以訪問該版本 成立，說明資料已經提交了，
trx_id > max_trx_id 不可以訪問該版本 成立，說明該事務是在ReadView生成后才開啟，
min_trx_id <= trx_id <= max_trx_id 如果trx_id不在m_ids中，是可以訪問該版本的 成立，說明資料已經提交，

不同的隔離級別，生成ReadView的時機不同：

  • READ COMMITTED ：在事務中每一次執行快照讀時生成ReadView，
  • REPEATABLE READ：僅在事務中第一次執行快照讀時生成ReadView，后續復用該ReadView，

原理分析

RC隔離級別

RC隔離級別下，在事務中每一次執行快照讀時生成ReadView，

我們就來分析事務5中，兩次快照讀讀取資料，是如何獲取資料的?

在事務5中，查詢了兩次id為30的記錄，由于隔離級別為Read Committed，所以每一次進行快照讀都會生成一個ReadView，那么兩次生成的ReadView如下，

file

那么這兩次快照讀在獲取資料時，就需要根據所生成的ReadView以及ReadView的版本鏈訪問規則，到undolog版本鏈中匹配資料，最終決定此次快照讀回傳的資料，

A. 先來看第一次快照讀具體的讀取程序：

file

在進行匹配時，會從undo log的版本鏈，從上到下進行挨個匹配：

  • 先匹配

file

這條記錄，這條記錄對應的trx_id為4，也就是將4帶入右側的匹配規則中， ①不滿足 ②不滿足 ③不滿足 ④也不滿足 ，都不滿足，則繼續匹配undo log版本鏈的下一條，

  • 再匹配第二條

file

，這條記錄對應的trx_id為3，也就是將3帶入右側的匹配規則中，①不滿足 ②不滿足 ③不滿足 ④也不滿足 ，都不滿足，則繼續匹配undo log版本鏈的下一條，

  • 再匹配第三條

file

，這條記錄對應的trx_id為2，也就是將2帶入右側的匹配規則中，①不滿足 ②滿足 終止匹配，此次快照讀，回傳的資料就是版本鏈中記錄的這條資料，

B. 再來看第二次快照讀具體的讀取程序:

file

在進行匹配時，會從undo log的版本鏈，從上到下進行挨個匹配：

  • 先匹配

file

這條記錄，這條記錄對應的trx_id為4，也就是將4帶入右側的匹配規則中， ①不滿足 ②不滿足 ③不滿足 ④也不滿足 ，都不滿足，則繼續匹配undo log版本鏈的下一條，

  • 再匹配第二條

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，這條記錄對應的trx_id為3，也就是將3帶入右側的匹配規則中，①不滿足 ②滿足 ，終止匹配，此次快照讀，回傳的資料就是版本鏈中記錄的這條資料，

RR隔離級別

RR隔離級別下，僅在事務中第一次執行快照讀時生成ReadView，后續復用該ReadView， 而RR 是可重復讀，在一個事務中，執行兩次相同的select陳述句，查詢到的結果是一樣的，

那MySQL是如何做到可重復讀的呢? 我們簡單分析一下就知道了

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我們看到，在RR隔離級別下，只是在事務中第一次快照讀時生成ReadView，后續都是復用該ReadView，那么既然ReadView都一樣， ReadView的版本鏈匹配規則也一樣， 那么最終快照讀回傳的結果也是一樣的，

所以呢，MVCC的實作原理就是通過 InnoDB表的隱藏欄位、UndoLog 版本鏈、ReadView來實作的，而MVCC + 鎖，則實作了事務的隔離性， 而一致性則是由redolog 與 undolog保證，

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