值得收藏，揭秘 MySQL 多版本併發控制實現原理

MySQL 中多版本併發控制（MVCC），是現代資料庫引擎實現中常用的處理讀寫衝突的手段，MVCC 作為 MySQL 高階應用特性，目的在於提高資料庫高併發場景下的吞吐效能。

一、MVCC出現背景是什麼？

事務的4個隔離級別以及對應的3種異常：

• 髒讀：一個事務讀取到了另外一個事務沒有提交的資料；

• 不可重複讀：在同一事務中，兩次讀取同一資料，得到內容不同；

• 幻讀：同一事務中，用同樣的操作讀取兩次，得到的記錄數不相同。

在 MySQL 中，預設的隔離級別是可重複讀，可以解決髒讀和不可重複讀的問題，但不能解決幻讀問題。如果我們想要解決幻讀問題，就需要採用序列化的方式，也就是將隔離級別提升到最高，但這樣一來就會大幅降低資料庫的事務併發能力。

而MVCC就是透過樂觀鎖的方式來解決不可重複讀和幻讀問題，它可以在大多數情況下替代行級鎖，降低系統的開銷。

MySQL 併發事務會引起更新丟失問題，解決辦法是鎖，主要分兩類：

• 樂觀鎖：
  其實現如同它的名字一樣，是假設比較好的情況。

  每次取資料的時候都認為他人不會對其修改，所以不會上鎖，但是在更新的時候會判斷一下在此期間別人有沒有去更新這個資料，可以使用版本號機制和CAS演算法實現。
• 悲觀鎖：
  悲觀鎖也如同它的名字一樣，總是假設比較壞的情況，每次取資料的時候都認為他人會修改，所以每次在拿資料的時候都會上鎖，這樣別人想拿這個資料就會阻塞直到它拿到鎖（共享資源每次只給一個執行緒使用，其它執行緒阻塞，用完後再把資源轉讓給其它執行緒）。

二、什麼是MVCC，它解決了什麼問題？

MVCC 是透過資料行的多個版本管理來實現資料庫的併發控制，簡單來說它的思想就是儲存資料的歷史版本。

我們可以透過比較版本號決定資料是否顯示出來（具體的規則後面會介紹到），讀取資料的時候不需要加鎖也可以保證事務的隔離效果。

透過 MVCC 我們可以解決以下幾個問題：

（1）讀寫之間阻塞的問題，透過 MVCC 可以讓讀寫互相不阻塞，即讀不阻塞寫，寫不阻塞讀，這樣就可以提升事務併發處理能力。

（2）降低了死鎖的機率。這是因為 MVCC 採用了樂觀鎖的方式，讀取資料時並不需要加鎖，對於寫操作，也只鎖定必要的行。

（3）解決一致性讀的問題。一致性讀也被稱為快照讀，當我們查詢資料庫在某個時間點的快照時，只能看到這個時間點之前事務提交更新的結果，而不能看到這個時間點之後事務提交的更新結果。

解釋一下可能難以理解的幾個詞彙：

• 快照讀：
  讀取的是快照資料，不加鎖的簡單的SELECT都屬於快照讀（只是普通的讀操作）。

• 當前讀：
  當前讀就是讀取最新資料，而不是歷史版本的資料。

  加鎖的SELECT，或者對資料進行增刪改都會進行當前讀（包括加鎖的讀取和DML操作）。

三、應用舉例分析

為了更好地讓大家理解MVCC，我們用一個示例場景來說明。

假設有個賬戶金額表 user_balance，包括三個欄位，分別是 username 使用者名稱、balance 餘額和 bankcard 卡號，表資料如下所示：

使用者 A 和使用者 B 之間進行轉賬，此時資料庫管理員想要查詢 user_balance 表中的總金額，兩個場景存在併發情況，在沒有MVCC的情況下，會出現哪些問題呢。

Case1：因為需要採用加行鎖的方式，使用者 A 給 B 轉賬時間等待很久，如下圖所示。

Case2：當我們讀取的時候用了加行鎖，可能會出現死鎖的情況，如下圖所示。

比如當我們讀到 A 有 1000 元的時候，此時 B 開始執行給 A 轉賬。

四、InnoDB如何實現MVCC？

當查詢一條記錄的時候，執行流程如下：

1. 首先獲取事務自己的版本號，也就是事務 ID；

2. 獲取 Read View；

3. 查詢得到的資料，然後與 Read View 中的事務版本號進行比較；
   

4. 如果不符合 ReadView 規則，就需要從 Undo Log 中獲取歷史快照；

5. 最後返回符合規則的資料。

相關概念

1. 事務版本號

一個自增長的事務ID，用於標記事務執行的先後順序。

2. Read View

在 MVCC 機制中，多個事務對同一個行記錄進行更新會產生多個歷史快照，這些歷史快照儲存在 Undo Log 裡。如果一個事務想要查詢這個行記錄，需要讀取哪個版本的行記錄呢？

這時就需要用到 Read View 了，它幫我們解決了行的可見性問題。Read View 儲存了當前事務開啟時所有活躍（還沒有提交）的事務列表，換個角度，可以理解為 Read View 儲存了不應該讓這個事務看到的其他的事務 ID 列表。

Read VIew 中的幾個重要屬性：

• up_limit_id，活躍的事務中最小的事務 ID；

• trx_ids，系統當前正在活躍的事務 ID 集合；

• low_limit_id，活躍的事務中最大的事務 ID；

• creator_trx_id，建立這個 Read View 的事務 ID。

3. 行記錄的隱藏列

InnoDB 的葉子節點段儲存了資料頁，資料頁中儲存了行記錄，在這些行記錄中有一些重要的隱藏欄位：

• DB_ROW_ID ：

  6-byte，記錄操作該資料事務的事務ID；

• DB_TRX_ID ：

  6-byte，當建立表沒有合適的索引作為聚集索引時，會用該隱藏ID建立聚集索引；

• DB_ROLL_PTR ：

  7-byte，回滾指標，指向上一個版本資料在undo log 裡的位置指標；

4. 聚集索引

聚集索引是指資料庫錶行中資料的物理順序與鍵值的邏輯（索引）順序相同。一個表只能有一個聚集索引，因為一個表的物理順序只有一種情況，所以，對應的聚集索引只能有一個。

5. Undo Log

InnoDB 將行記錄快照儲存在 Undo Log，可以在回滾段中找到它們，主要用於記錄資料被修改之前的日誌，在對錶資訊做修改之前先會把資料複製到Undo Log裡，當事務進行回滾時可以透過Undo Log裡的日誌進行資料還原。

回滾段中回滾指標間關聯關係，如下圖所示：
五、InnoDB是如何解決幻讀的？

1、在讀已提交的情況下，即使採用了 MVCC 方式也會出現幻讀

我們同時開啟事務 A 和事務 B，先在事務 A 中進行某個條件範圍的查詢，讀取的時候採用排它鎖，在事務 B 中增加一條符合該條件範圍的資料，並進行提交，然後我們在事務 A 中再次查詢該條件範圍的資料，就會發現結果集中多出一個符合條件的資料，這樣就出現了幻讀。

出現幻讀的原因是在讀已提交的情況下，InnoDB 只採用記錄鎖（Record Locking）。

InnoDB 三種行鎖的方式：

• 記錄鎖：

  針對單個行記錄新增鎖。

• 間隙鎖（Gap Locking）：

  可以鎖住一個範圍（索引之間的空隙），但不包括記錄本身。

  採用間隙鎖的方式可以防止幻讀情況的產生。

• Next-Key 鎖：

  鎖住一個範圍，同時鎖定記錄本身，相當於間隙鎖 + 記錄鎖，可以解決幻讀的問題。

2、在可重複讀的情況下，InnoDB 可以透過 Next-Key 鎖 +MVCC 來解決幻讀問題。

想插入球員艾利克斯·倫（身高 2.16 米）的時候，事務 B 會超時，無法插入該資料。

這是因為採用了 Next-Key 鎖，會將 height>2.08 的範圍都進行鎖定，就無法插入符合這個範圍的資料了。然後事務 A 重新進行條件範圍的查詢，就不會出現幻讀的情況。

六、總結

MVCC 的核心就是 Undo Log+ Read View。

• “MV”就是透過 Undo Log 來儲存資料的歷史版本，實現多版本的管理；

• “CC”是透過 Read View 來實現管理，透過 Read View 原則來決定資料是否顯示。

同時針對不同的隔離級別，Read View 的生成策略不同，也就實現了不同的隔離級別。