MySQL MVCC的详解之Read View_mysql mvcc readview

概要

在上文中，我们提到了MVCC（Multi-Version Concurrency Control)多版本并发控制，是通过undo log来实现的。那具体是如何实现的呢？将在本文一一道来。

MVCC是为了实现非阻塞读，即提高数据库并发读能力的一种机制。

通常来说，A事务正在修改数据行X，在修改未结束前，B事务要读数据行X,为了避免读到脏数据，B就会被阻塞,直到A事务修改完数据行X，MVCC很好的避免了这种情况的发生。

MVCC是通过保存数据在某个时间点的快照来实现的，即保存一个数据行的多个变更版本（空间换时间）。这些版本就是undo log了，每一行的变更记录就存在undo log中，通过链表联系在一起，构成了一个完整的版本链，供MVCC实现非阻塞读。

例如在可重复读隔离级别下，A事务正在修改数据行X，在修改数据行X前会把其当前记录插入到版本链中，B事务要读数据行X就到版本链中找符合的，这样B就不会被阻塞了。

ps:MySQL的MVCC只作用于在REPEATABLE READ和READ COMMITED两个隔离级别下执行普通的SELECT操作。

在高性能MySQL第三版一书中对MVCC的操作描述如下：
下面来一起探索下具体实现吧。

本文背景：MySQL InnoDB存储引擎。

一、基于UNDO LOG的版本链

在了解版本链之前，首先看一下InnoDB存储引擎的行记录。

1.1、行记录结构

提到MySQL的行记录，肯定会想到行ID、用户数据列等内容，除了这些信息外，还有一些隐藏信息，比如事务ID、回滚指针等其他额外信息，那我们可以得出下图：

其中事务ID(trx_id)、回滚指针(rollback_ptr)是本文要讲的核心。

ps:InnoDB的行记录是存储在聚族索引中的

1.2、了解UNDO LOG

                                            MySQL undo log结构示意图
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MySQL的undo log分为两大类：

1. insert undo:insert 操作产生的，记录了table_id、trx_id、主键各列数据等信息。
2. update undo:update和delete操作产生的，

虽说update和delete操作产生的undo log都会记录到update undo这个大类，但其记录内容是有很大差距的。
delete操作产生的undo log会记录table_id、trx_id、rollback_ptr、主键各列数据等信息，而update操作产生的undo log会记录更新table_id、trx_id、rollback_ptr、被更新列旧值、主键各列数据等信息。

ps:可以看到undo log中并没有记录用户列数据

1.3、版本链

我们现在在test库下有一个test表：
下面我们经过一系列插入，删除，更新来演示版本链的变迁：
假设当前全局trx_id = 101。

1. 插入一条数据

insert into test (id,num,name,key_id) values (1,1,"bob",11);
1

此时有：

2. 更新数据
   1）令id=1的数据name=tom

update test set name = "tom" where id = 1;
1

此时有：

2）令id=1的数据name=join

update test set name = "join" where id = 1;
1

此时有：

3. 删除数据，删除id=1的数据

delete from test where id = 1;
1

此时有：

如上图，在对id=1这一条记录的插入，更新，删除的过程中构建了一个版本链。其中删除操作，只是在聚簇索引上的记录中打了删除标记，并不会立即删除，而是当没有Read View持有该事务ID时才会有purge线程去真的去删除，之后这块空间才能被使用，为什么不能立即删除呢，主要是因为undo log中并不保存所有的用户列数据，甚至不保存，都是基于聚簇索引中的记录行，在结合undo log内容，在回滚过程中构造某个版本的数据。

另外，我们在1.2小节中强调了 undo log中并不记录用户列数据，这里只是为了表示方便才画了出来，其实MySQL是基于聚簇索引上的记录内容，通过从聚簇索引上的记录roll_ptr开始，依次回滚，直到遇到符合要求的事务ID，构造出最终数据。

假设第二次更新操作开始但未提交时，有个trx_id=107的事务要读id=1的数据，此时发现ID=1的数据trx_id=106且处于活跃状态，则需要沿着版本链回滚，当遇到trx_id=102的记录，结合聚簇索引上的记录和trx_id=102的undo记录,构造出trx_id=102的完整数据，对于trx_id=107的事务来说，该事务是已提交的事务，则读取即可。其实这就是Read View了，详情请看下一章节。

二、Read View

对于READ COMMITED隔离级别，需要读已经提交的数据，那当A事务修改完聚簇索引上的记录X后尚未提交，此时B事务读取记录X，按照定义，此时聚簇索引上的记录是不允许读取的，如何判定呢？就依赖Read View机制了

对于REPEATABLE READ隔离级别，需要重复读数据，那当A事务读取记录X后，B事务修改完聚簇索引上的记录X并提交，此时A事务需要在此读取记录X，按照定义，此时聚簇索引上的记录是不允许读取的，如何判定呢？也就依赖Read View机制了

Read View也称作一致性视图，其主要包含4个主要的内容：

• m_ids：在生成Read View时，当前系统中活跃的读写事务的事务ID列表；
• min_trx_id：在生成Read View时，当前系统中活跃的读写事务中最小的事务ID，即m_ids中的最小值；
• max_trx_id：在生成Read View时，当前系统中活跃的读写事务中最大的事务ID，即系统应该分配给下一个事务的事务ID（全局事务ID的值）；
• creator_trx_id：在生成Read View时，当前事务的事务ID。

其中max_trx_id要注意下，并不一定是m_ids中的最大值，而是生成Read View时的全局事务ID值。因为事务ID时递增（循环）分配的，在RR隔离级别下，假设当前活跃的事务ID有1,2,3，事务ID=3的事务提交后，再开启一个事务A，发起读操作，此时Read View时m_ids=[1,2,4],min_trx_id=1，max_trx_id=4,如果有另一个写事务B提交了，消耗了一个事务ID=4，那么此时事务A进行写操作，就会出现creator_trx_id=5的情况。

为什么会这样呢？我们要明白事务ID的生成并不是开启事务（执行begin操作）时就确定的，而是第一次执行写操作时确定的。
而Read View生成时机是在读操作前确定的，但RC与RR还不同，RC是每次读操作前都生成一个Read View（保证可以读已提交数据），而RR是在第一次读操作前生成一个Read View，就不会变动了（保证可重复读）。

2.1、判定机制

MySQL根据Read View读要访问的记录依次进行以下判定，来决定是否可访问：

1. 如果被访问记录的trx_id等于creator_trx_id相等，这意味当前事务在访问它自己修改的记录，允许被访问；
2. 如果被访问记录的trx_id小于min_trx_id，这意味被访问记录在当前事务生成Read View时已经提交了，允许被访问；
3. 如果被访问记录的trx_id大于等于max_trx_id,这意味被访问记录在当前事务生成Read View之后产生的，不允许被访问；
4. 如果被访问记录的trx_id在m_ids中，说明在当前事务生成Read View时被访问记录所属的事务还是活跃的，不允许被访问；
5. 如果被访问记录的trx_id不在m_ids中，说明在当前事务生成Read View时被访问记录所属的事务已经提交了，允许被访问；

以上的判定机制，是实现RC和RR的基础。

select trx_id,trx_state,trx_started,trx_rows_locked from INFORMATION_SCHEMA.INNODB_TRX; #可以查看当前活跃的事务id等信息

针对1.3小节的版本链案例：
我们依次执行下面四个语句，看看效果如何(RR隔离级别)：
1:

insert into test (id,num,name,key_id) values (1,1,"bob",11);#事务id = 101
1

2:

begin;
update test set name = "tom" where id = 1; #事务id = 102
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2

3:

insert into test (id,num,name,key_id) values (2,2,"2ob",22);#事务id = 103
insert into test (id,num,name,key_id) values (3,3,"3ob",33);#事务id = 104
1
2

4：

begin;                    
update test set name = "uuu" where id = 2; #事务id = 105
1
2

5:

begin;
select * from test where id = 1;
update test set name = "uuu" where id = 3; #事务id = 106
1
2
3

那么第五句select * from test where id = 1;的Read View如下：
m_ids=[102,105]，min_trx_id=102，max_trx_id=106, creator_trx_id = 0

针对id=1这条记录，此时test表聚簇索引中的记录是 (1,1,"tom",11)，隐藏字段trx_id=102。但是102在m_ids中，所以不可见，根据其undo log得到最终结果 (1,1,"bob",11)

2.2、源码

MySQL V8.0.32

1. 生成Read View

/*调用链如下
trx_assign_read_view
  trx_sys->mvcc->view_open(MVCC::view_open)
    view->prepare(ReadView::prepare)
 */
 //下面来看看核心的prepare函数干了什么
 /*
Opens a read view where exactly the transactions serialized before this
point in time are seen in the view.
@param id               Creator transaction id */
void ReadView::prepare(trx_id_t id) {
  ut_ad(trx_sys_mutex_own());

  m_creator_trx_id = id; //赋值creator_trx_id
  m_low_limit_no = trx_get_serialisation_min_trx_no(); 

  m_low_limit_id = trx_sys_get_next_trx_id_or_no();//系统应该分配给下一个事务的事务ID，即max_trx_id 
  ut_a(m_low_limit_no <= m_low_limit_id);

  if (!trx_sys->rw_trx_ids.empty()) { 
    copy_trx_ids(trx_sys->rw_trx_ids); //将此刻全局活跃跃事务列表ids 赋值给当前READ VIEW的m_ids属性
  } else {
    m_ids.clear();
  }
  /* The first active transaction has the smallest id. */
  m_up_limit_id = !m_ids.empty() ? m_ids.front() : m_low_limit_id;//获取当前活跃事务列表中的最小事务id,即min_trx_id

  ut_a(m_up_limit_id <= m_low_limit_id);
  ut_d(m_view_low_limit_no = m_low_limit_no);
  m_closed = false;
}          
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2. Read View判定

 /** Check whether the changes by id are visible.
  @param[in]    id      transaction id to check against the view
  @param[in]    name    table name
  @return whether the view sees the modifications of id. */
  [[nodiscard]] bool changes_visible(trx_id_t id,
                                     const table_name_t &name) const {
    ut_ad(id > 0);

    if (id < m_up_limit_id || id == m_creator_trx_id) {//小于min_trx_id 或等于 creator_trx_id 则允许访问
      return (true);
    }

    check_trx_id_sanity(id, name);

    if (id >= m_low_limit_id) { //大于max_trx_id 则不允许访问
      return (false);

    } else if (m_ids.empty()) {//m_ids为空则允许访问
      return (true);
    }

    const ids_t::value_type *p = m_ids.data();

    return (!std::binary_search(p, p + m_ids.size(), id));//二分查找，在m_ids不允许访问，不在则允许访问
  }
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三、参考

1]:庖丁解InnoDB之Undo LOG
2]:正确的理解MySQL的MVCC及实现原理