【MySQL】MVCC原理分析 + 源码解读 -- 必须说透_mysql mvcc

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前言

如何控制并发是数据库领域中非常重要的问题之一，MySQL为了解决并发带来的问题，设计了事务隔离机制、锁机制、MVCC机制等等，用一整套机制来解决并发问题，本文主要介绍MySQL5.7版本的MVCC机制。

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一、MVCC 介绍

MVCC, 全称 Multi-Version Concurrency Control（多版本并发控制）
利用多版本解决的是读写并发冲突, 做到读写冲突时, 避免加锁, 实现非阻塞的读操作, 也就是无锁并发控制.

很多数据库也都有各自的实现，像Oracle、PostgreSQL、SQLSerer、MySQL等，但没有统一的标准，所以内部实现也各有差异。

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二、MySQL MVCC 介绍

MySQL的InnoDB引擎支持MVCC, 工作原理是使用数据在某个时间点的快照来实现。这意味着，无论事务运行多长时间，都可以看到数据的一致视图，也意味着不同的事务可以在同一时间看到同一张表中的不同数据！ 上文回顾：MySQL事务隔离机制 – 必须说透

为了更好的理解, 我们先了解两个重要概念：当前读和快照读

• 当前读：官方叫做 Locking Reads（锁定读取）, 读取数据的最新版本. 常见的 update/insert/delete、还有 select … for update、select … lock in share mode 都是当前读.
  官方文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking-reads.html
• 快照读：官方叫做 Consistent Nonlocking Reads（一致性非锁定读取）, 也就是 MVCC 生成的 ReadView, 用于普通的 select 的语句.
  官方文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-consistent-read.html
  这里需要多啰嗦一下consistent read(源码里到处可见)：
  
  • 一种读取操作, 使用数据在某个时间点的快照显示查询结果, 而不考虑同时运行的其他事务所执行的更改. 如果查询的数据已被另一个事务更改, 则会根据undo log的内容重建原始数据. 该技术避免了一些锁定问题，这些问题可以通过强制事务等待其他事务完成来减少并发性.
  • 对于REPEATABLE READ隔离级别, 快照基于执行第一次读取操作的时间. 使用READ COMMITTED隔离级别，快照将重置为每次一致读取操作的时间.
  • 一致读取是InnoDB以READ COMMITTED和REPEATABLE READ隔离级别处理SELECT语句的默认模式. 由于一致读取不会对其访问的表设置任何锁，因此在对表执行一致读取时, 其他会话可以自由修改这些表.
    官方文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/glossary.html#glos_consistent_read

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三、MySQL MVCC实现原理+源码分析

MySQL InnoDB引擎实现的MVCC, 主要依赖数据行的隐式字段与undo log生成的日志版本链, 再结合ReadView可见性判断机制实现.

3.1 隐式字段

在内部，InnoDB向数据库中存储的每一行添加三个字段：

• DB_TRX_ID ：6 byte，插入或更新行的最后一个事务ID. （解读：用于MVCC的ReadView判断事务id）
  此外, 删除在内部被视为更新，其中行中的一个特殊位被设置为将其标记为已删除.
• DB_ROLL_PTR：7 byte，回滚指针. （解读：用于MVCC中指向undo log记录）
  指向已写入回滚段(rollback segment)的一条undo log记录, 记录着行(row)更新前的副本.
• DB_ROW_ID：6 byte，隐藏的自增 ID. （解读：对于MVCC可忽略该字段）
  如果InnoDB自动生成聚集索引, 则索引包含这个行ID值. 否则, DB_ROW_ID列不会出现在任何索引中.

大概是这样：

源码验证

参考官方：

3.2 undo log

undo log，撤销日志。
在事务中，insert/update/delete每一个sql语句的更改都会写入undo log，当事务回滚时，可以利用 undo log 来进行回滚。
undo 日志的存储结构比较复杂, 本文不做详细解读. 最小单元的undo log都有next和start 两个字段, 形成一个双向链表, 示意图：

undo log格式

• insert undo log
  insert undo log是指在insert操作中产生的undo log, 仅用于事务回滚. 因为insert操作的记录, 只对事务本身可见, 对其它事务不可见, 所以该日志可以在事务commit后直接删除. 不需要进行purge(后台清除线程)操作. 格式如图7-14所示.
• update undo log
  update undo log是对delete和update操作产生的的undo log. 该undo log可能需要提供MVCC机制, 因此不能在事务commit后就进行删除. 提交时放入undo log链表，等待purge线程(后台清除线程)进行最后的删除. 格式如图7-15所示.

注：图片来源于姜承尧老师的《MySQL技术内幕 InnoDB存储引擎 第2版》
*表示对存储的字段进行了压缩

• insert undo log 格式解读

• update undo log 格式解读
  next、start、undo_no、table_id、lenN + colN和之前的insert undo log相同, 不做重复说明.

undo log源码验证

写insert undo log源码

入口函数：trx_undo_page_report_insert

写update undo log源码

入口函数：trx_undo_page_report_modify
这里只贴最关键的写trx_id和roll_ptr:

写undo log源码

不管是insert undo log还是update undo log，
它们只有一处调用：trx_undo_report_row_operation

最后写完undo log构建当前undo log的roll_ptr

roll_ptr是如何指向insert undo log的?

入口函数：btr_cur_ins_lock_and_undo

调用row_upd_index_entry_sys_field设置聚集索引中的trx_id和roll_ptr

roll_ptr是如何指向update undo log的?

我们已知写undo log的统一入口是 trx_undo_report_row_operation , 我们先看调用它的函数： btr_cur_upd_lock_and_undo
从注释可以看出：对于更新，检查锁并追加undo log
另外，如果不是聚集索引就不会写undo log，看红框 We do undo logging only when we update a clustered index record（只有在更新聚集索引记录时，才写undo log）

咱们再找btr_cur_upd_lock_and_undo的引用，就找到了btr_cur_update_in_place：

row_upd_rec_sys_fields
Updates the trx id and roll ptr field in a clustered index record when a row is updated or marked deleted.
当行被更新或标记为删除时，更新聚集索引记录中的trx-id和roll-ptr字段。

undo日志版本链演示

为了演示效果, 这里我们采用可重复读(RR)级别来演示, 演示一下undo日志版本链是如何在读写并发时读到不同版本的，

我们采用6个事务：其中1个事务insert, 2个事务update，另外3个事务分别读到3个版本的效果.

执行时间轴从上至下预览（下面有分步的undo log和回滚指针指向说明，readview看不懂先忽略，讲完readview再回头来看，
格式：readview[m_ids], m_low_limit_id 其中m_ids最小的是m_up_limit_id）：

• 事务100 对user表执行 insert + 提交：
  说明：这步就是为了构建原始记录

begin;
insert into user(id,name) values(1,'张三');
commit;
1
2
3

• 然后, 事务101 对user表执行 update + 提交：

begin;
update user set name = '李四' where id = 1;
commit;
1
2
3

• 同时, 事务102 在事务101提交前, 查询了该记录：
  说明：有事务使用的undo log, purge线程不会清除这条记录

begin;
-- 读到的name为张三
select * from user where id = 1; 
1
2
3

• 同时, 事务103 对user表执行 update 未提交：

begin;
update user set name = '王五' where id = 1;
1
2

• 然后, 事务102 再次读取: 在RR级别, 后面所做的更改依然不可见：

begin;
-- 读到的name为张三
select * from user where id = 1;

-- 读到的name仍为张三
select * from user where id = 1;
1
2
3
4
5
6

• 同时, 事务104 执行了查询, 读取到了事务101提交的“李四”（因为事务103尚未提交）：

begin;
-- 读到的name为李四
select * from user where id = 1;
commit;
1
2
3
4

• 然后, 事务103 提交, 事务105来了, 它读取到的却是“王五”. 3个事务看到了3个版本, 版本链就是这样的, 还可能会更多版本…

purge线程

上述提到的 「purge 线程]，是一个周期运行的垃圾收集线程， 对于没有事务引用的undo log进行清除, 上面演示里由于都有事务读取, 所以purge线程不会清除. 但当purge线程发现undo log没有事务引用时将自动清除. 另外, 从上面我们得知, 清除的是update undo log, 因为insert undo log在事务完成时直接删除.

• innodb 会将所有需要清理的任务添加到 purge 队列中，可以通过 innodb_max_purge_lag 配置项设定 purge 队列的大小
• 通过show variables like ‘%purge%’ 查看purge参数

本文由 [天罡gg] 首发于csdn，转载请注明出处：https://blog.csdn.net/scm_2008/article/details/127985117

3.3、ReadView

一听到view，大家可能会联想到数据库视图，然后可能会误解为把数据库当前所有表都通过视图快照起来，其实不是，那样的话得多占空间，性能得多差啊。其实生成的ReadView里面主要保存的是用于比较可见性的事务id等。

ReadView保存在事务对象trx_t中

Readview核心字段

先说结论，下面再来验证

核心字段在prepare和complete里赋值

从下面的源码里，可以验证上面4个字段的说明是准确的.
trx_sys->max_trx_id 的注释说明是：The smallest number not yet assigned as a transaction id or transaction number.

如何判断记录的可见性?

入口函数：changes_visible
从下面的源码里，可以验证上面4个字段的可见性说明是准确的.

搞懂了可见性，我们再看如何通过ReadView实现快照读(consistent read)？

• 先判断聚集索引中的记录是否可见
  lock_clust_rec_cons_read_sees
  检查是否在一致读取中看到记录。
  如果可以看到，返回true；如果应检索记录的早期版本，则返回false
  
• 不可见时，再通过回滚指针找到可见的版本记录
  在不同的调用链路上会调下面这两个函数(注释都是一样的)：
  row_sel_build_prev_vers_for_mysql() // 为“一致读取”生成聚集索引记录的早期版本
  row_sel_build_prev_vers() // 为“一致读取”生成聚集索引记录的早期版本
  然后这两个函数内部都会调
  row_vers_build_for_consistent_read()
  

最后我们再来看下ReadView的生命周期(何时分配，保时关闭)?

• 可重复读(RR)级别
  入口函数：innobase_start_trx_and_assign_read_view
  开始事务并分配一致性读的快照readview(如果还没有)
  
  看看内部调的trx_assign_read_view，命名非常准确！
  
  到view_open了，里面调prepare和complete生成ReadView为字段赋值了
  
• 读已提交(RC)级别
  对于读已提交（RC）级别，每次select都会重新分配readview，因为每次SQL语句结束后，会关闭readview.
  分配在 row_sel_step
  
  关闭在external_lock
  

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总结

通过本文我们已经详细说明了：

1. MVCC介绍
2. MySQL MVCC 介绍
3. MySQL MVCC实现原理+源码分析(这里面最关键的是undo日志版本链和ReadView的可见性判断)

如果感觉不错，请关注我分享更多干货：天罡gg https://blog.csdn.net/scm_2008
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参考：
图文带你彻底弄懂MySQL事务原子性之UndoLog
MySQL · 引擎特性 · InnoDB undo log 漫游
MySQL 8.0 MVCC 核心原理解析（核心源码）
InnoDB MVCC实现原理及源码解析
【MySQL笔记】正确的理解MySQL的MVCC及实现原理
《MySQL技术内幕 InnoDB存储引擎 第2版》
官网14.3 InnoDB Multi-Versioning
官网14.6.3.4 Undo Tablespaces
官网14.6.7 Undo Logs
Mysql 核心日志（redolog、undolog、binlog）
图文结合带你搞定MySQL日志之Undo log(回滚日志)
MVCC详解，深入浅出简单易懂
详解 MySQL 的 undo log
庖丁解InnoDB之UNDO LOG

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