PHP `MVCC` (多版本并发控制) 原理与数据库隔离级别

大家好，我是你们今天的数据库并发控制小喇叭，很高兴能跟大家聊聊PHP和MVCC那些事儿。今天咱们的主题是：PHP“触碰”MVCC的边界，以及数据库隔离级别背后的故事。

别紧张，虽然听起来高大上，但保证用最接地气的方式把它讲明白。准备好了吗？Let’s dive in!

Part 1: PHP与MVCC的“若即若离”

首先，我们要明确一点：PHP本身并不直接实现MVCC。PHP主要负责处理应用程序逻辑，而MVCC通常是数据库引擎的责任。也就是说, MVCC 属于数据库管理系统的范畴，不由 PHP 直接控制。

但是，PHP应用程序作为客户端，会通过数据库连接与支持MVCC的数据库交互，从而间接地“触碰”MVCC。理解了这一点，你就已经掌握了核心思想。

想象一下，你（PHP应用程序）要从银行（数据库）取钱。银行为了保证你的账户余额准确，同时也允许其他人取钱，就用了一些并发控制的手段，其中就可能包括MVCC。你作为取款人，并不需要知道银行内部如何运作，只需要按照银行的规章制度（数据库连接、SQL语句）去操作就行了。

Part 2: MVCC：数据库并发控制的“时间旅行”

MVCC的全称是Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。简单来说，就是数据库为每一行数据维护多个版本，每个版本都带有时间戳或者版本号。当有事务要读取数据时，数据库会根据事务的隔离级别和数据的版本信息，返回合适的版本。

这就像一个时光机，每个事务都能看到不同时间点的数据快照，从而避免了读写冲突，提高了并发性能。

MVCC的实现原理，通常包括以下几个关键部分：

版本链 (Version Chain)：每当一行数据被修改时，数据库不会直接覆盖原数据，而是创建一个新的版本，并将新版本与旧版本通过某种方式（通常是链表）连接起来。
事务ID (Transaction ID)：每个事务都会被分配一个唯一的事务ID，用于标识事务的开始和结束。
Read View (读视图)：当事务开始时，数据库会创建一个Read View，它包含了当前活跃事务的ID列表。 Read View决定了事务能看到哪些版本的数据。
可见性判断规则：数据库根据Read View和数据的版本信息，判断某个版本的数据对当前事务是否可见。

举个例子：

假设我们有一个users表，包含id和name两个字段。

id	name
1	老王

现在有两个事务，事务A和事务B，它们都想要修改id=1的记录。

初始状态：id=1的数据只有一个版本，假设版本号是100。
事务A开始：事务A开始后，创建了一个Read View，假设当前活跃事务的ID列表是{A, C}。
事务B开始：事务B开始后，创建了一个Read View，假设当前活跃事务的ID列表是{B, C}。
事务A修改数据：事务A将name修改为"隔壁老王"，数据库不会直接修改版本100的数据，而是创建一个新的版本，版本号是200，并将版本200与版本100连接起来。
事务B修改数据：事务B将name修改为"对门老王"，数据库同样创建一个新的版本，版本号是300，并将版本300与版本200连接起来。

现在，id=1的数据有三个版本：

版本100：name = "老王"
版本200：name = "隔壁老王"
版本300：name = "对门老王"

当事务A要读取id=1的数据时，数据库会根据事务A的Read View和版本信息，判断哪个版本的数据对事务A可见。通常情况下，事务A只能看到版本200的数据，因为版本200是事务A修改的，而版本300是事务B修改的，事务A还未提交，所以事务A看不到版本300的数据。

用PHP代码来模拟一下（虽然PHP不能直接操作MVCC，但可以模拟逻辑）：

<?php

// 模拟数据版本
$dataVersions = [
    100 => ['id' => 1, 'name' => '老王', 'transaction_id' => null], // 初始版本
    200 => ['id' => 1, 'name' => '隔壁老王', 'transaction_id' => 'A'], // 事务A修改后的版本
    300 => ['id' => 1, 'name' => '对门老王', 'transaction_id' => 'B'], // 事务B修改后的版本
];

// 模拟Read View
function createReadView($transactionId, $activeTransactionIds) {
    return [
        'transaction_id' => $transactionId,
        'active_transaction_ids' => $activeTransactionIds,
    ];
}

// 模拟可见性判断
function isVersionVisible($version, $readView) {
    // 如果版本是当前事务创建的，则可见
    if ($version['transaction_id'] === $readView['transaction_id']) {
        return true;
    }

    // 如果版本是已提交的事务创建的，且不在Read View的活跃事务列表中，则可见
    if ($version['transaction_id'] === null || !in_array($version['transaction_id'], $readView['active_transaction_ids'])) {
        return true;
    }

    // 其他情况不可见
    return false;
}

// 模拟读取数据
function readData($dataVersions, $readView) {
    $visibleVersion = null;
    $latestVersionId = max(array_keys($dataVersions)); // 假设版本号越大，版本越新

    // 从最新的版本开始遍历，找到第一个可见的版本
    for ($versionId = $latestVersionId; $versionId >= 100; $versionId--) {
        if (isset($dataVersions[$versionId]) && isVersionVisible($dataVersions[$versionId], $readView)) {
            $visibleVersion = $dataVersions[$versionId];
            break;
        }
    }

    return $visibleVersion;
}

// 模拟事务A读取数据
$readViewA = createReadView('A', ['A', 'C']);
$dataA = readData($dataVersions, $readViewA);
echo "事务A读取到的数据：n";
print_r($dataA);

// 模拟事务B读取数据
$readViewB = createReadView('B', ['B', 'C']);
$dataB = readData($dataVersions, $readViewB);
echo "n事务B读取到的数据：n";
print_r($dataB);

// 模拟事务C读取数据 (在 A 和 B 之后开始)
$readViewC = createReadView('C', ['C']);
$dataC = readData($dataVersions, $readViewC);
echo "n事务C读取到的数据：n";
print_r($dataC);

?>

这个代码只是一个简化版的模拟，实际的MVCC实现要复杂得多。但是，它能够帮助你理解MVCC的基本原理。

Part 3: 数据库隔离级别：并发控制的“力度”

数据库隔离级别定义了多个事务并发执行时，一个事务能看到其他事务修改数据的程度。隔离级别越高，并发性能越低，但数据一致性越高。

SQL标准定义了四个隔离级别：

隔离级别	描述
Read Uncommitted (读未提交)	允许一个事务读取到另一个事务未提交的数据。这是最低的隔离级别，并发性能最高，但数据一致性最差，会出现脏读。
Read Committed (读已提交)	允许一个事务读取到另一个事务已提交的数据。可以避免脏读，但会出现不可重复读。
Repeatable Read (可重复读)	保证一个事务在多次读取同一数据时，看到的数据始终一致。可以避免脏读和不可重复读，但会出现幻读。
Serializable (串行化)	最高的隔离级别，强制事务串行执行，可以避免所有并发问题，包括脏读、不可重复读和幻读。但并发性能最低。

下面我们来详细解释一下这些并发问题：

脏读 (Dirty Read)：一个事务读取到另一个事务未提交的数据。如果另一个事务最终回滚了，那么第一个事务读取到的就是无效的数据。
- 例子：事务A修改了用户余额，但还未提交。事务B读取了用户余额，看到了修改后的值。如果事务A回滚了，那么事务B读取到的就是错误的值。
不可重复读 (Non-repeatable Read)：一个事务在多次读取同一数据时，看到的数据不一致。这是因为在两次读取之间，有另一个事务修改了数据并提交了。
- 例子：事务A第一次读取用户余额为100。事务B修改了用户余额为200并提交。事务A第二次读取用户余额，发现变成了200，与第一次读取到的不一致。
幻读 (Phantom Read)：一个事务在多次查询同一范围的数据时，看到的结果集不一致。这是因为在两次查询之间，有另一个事务插入或删除了数据并提交了。
- 例子：事务A第一次查询所有年龄大于18岁的用户，得到10条记录。事务B插入了一条年龄为20岁的用户并提交。事务A第二次查询所有年龄大于18岁的用户，发现得到了11条记录，多了一条“幻影”记录。

不同数据库的默认隔离级别可能不同。 例如，MySQL的InnoDB存储引擎默认使用Repeatable Read隔离级别，而PostgreSQL默认使用Read Committed隔离级别。

PHP如何设置数据库隔离级别？

PHP应用程序可以通过数据库连接对象，执行SQL语句来设置数据库的隔离级别。

<?php

$host = 'localhost';
$dbname = 'testdb';
$username = 'user';
$password = 'password';

try {
    $pdo = new PDO("mysql:host=$host;dbname=$dbname", $username, $password);
    $pdo->setAttribute(PDO::ATTR_ERRMODE, PDO::ERRMODE_EXCEPTION);

    // 设置隔离级别为Read Committed
    $pdo->exec("SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED");

    // 开始事务
    $pdo->beginTransaction();

    // 执行数据库操作
    $stmt = $pdo->prepare("SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1");
    $stmt->execute();
    $balance = $stmt->fetchColumn();

    echo "初始余额: " . $balance . "n";

    // 模拟另一个事务修改了数据
    // 这里需要连接到同一个数据库，并开启另一个事务来修改数据

    // 事务结束
    $pdo->commit();

    // 设置隔离级别为Serializable
    $pdo2 = new PDO("mysql:host=$host;dbname=$dbname", $username, $password);
    $pdo2->setAttribute(PDO::ATTR_ERRMODE, PDO::ERRMODE_EXCEPTION);
    $pdo2->exec("SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE");

} catch (PDOException $e) {
    echo "连接失败: " . $e->getMessage();
    if (isset($pdo) && $pdo->inTransaction()) {
        $pdo->rollBack();
    }
}

?>

需要注意的是，不同的数据库系统设置隔离级别的SQL语句可能不同。

Part 4: 如何在PHP应用中选择合适的隔离级别？

选择合适的隔离级别需要在并发性能和数据一致性之间进行权衡。

对于读多写少的应用，可以选择较低的隔离级别，例如Read Committed，以提高并发性能。
对于数据一致性要求较高的应用，可以选择较高的隔离级别，例如Repeatable Read或Serializable，以避免并发问题。
在大多数情况下，Read Committed或Repeatable Read是比较合适的选择。

一些建议：

了解你的业务需求：仔细评估你的应用程序对数据一致性的要求。
测试不同的隔离级别：在实际环境中测试不同的隔离级别，以找到最佳的平衡点。
使用数据库提供的工具：利用数据库提供的监控工具，观察并发情况，并根据实际情况调整隔离级别。
考虑使用乐观锁：对于某些特定的场景，可以考虑使用乐观锁来解决并发问题，而不是依赖于数据库的隔离级别。

Part 5: 总结

今天我们一起探索了PHP与MVCC的“若即若离”关系，了解了MVCC的原理和数据库隔离级别。

PHP本身不直接实现MVCC，但PHP应用程序可以通过数据库连接与支持MVCC的数据库交互，从而间接地利用MVCC。
MVCC是一种多版本并发控制技术，通过维护数据的多个版本，提高了并发性能。
数据库隔离级别定义了多个事务并发执行时，一个事务能看到其他事务修改数据的程度。
选择合适的隔离级别需要在并发性能和数据一致性之间进行权衡。

希望今天的分享能够帮助你更好地理解PHP和数据库并发控制。记住，没有银弹，只有最适合你的解决方案。

祝大家编程愉快！

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