MySQL事务与并发之：`事务`的`一致性非锁定读`：`MVCC`在非锁定读中的应用。

MySQL事务与并发之：事务的一致性非锁定读：MVCC在非锁定读中的应用

大家好，今天我们来深入探讨MySQL事务并发控制中一个至关重要的概念：一致性非锁定读，以及它背后的核心技术：多版本并发控制（MVCC）。我们将通过理论讲解、实例分析和代码演示，帮助大家理解MVCC如何保证在并发环境下读取数据的一致性，同时避免不必要的锁竞争。

一、并发控制的挑战与一致性读的需求

在多用户并发访问数据库的场景下，我们需要解决两个核心问题：

1. 隔离性： 如何确保一个事务的执行不受其他并发事务的干扰？
2. 一致性： 如何保证事务执行前后数据的一致性，即使发生并发操作？

MySQL通过事务机制来解决这些问题。事务具有ACID特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）和持久性（Durability）。其中，一致性是我们本次讨论的重点。

在读取数据时，我们希望读取到的数据要么是事务开始之前的状态，要么是事务完成后的状态，中间状态是不允许的。这就是一致性读的要求。

考虑以下场景：

• 事务A：负责更新商品库存。
• 事务B：负责统计商品销量。

如果事务B在事务A更新库存的过程中读取数据，可能读取到中间状态的数据，导致销量统计错误。我们需要一种机制来避免这种情况。

二、锁定读与非锁定读

为了保证一致性读，最简单直接的方法就是使用锁定读（Locking Read）。锁定读会在读取数据时对数据加锁，防止其他事务修改数据，从而保证读取到的是一致的数据。常见的锁定读包括：

• SELECT ... FOR UPDATE: 对读取的行加排他锁（Exclusive Lock），其他事务无法读取或修改。
• SELECT ... LOCK IN SHARE MODE: 对读取的行加共享锁（Shared Lock），其他事务可以读取，但无法修改。

锁定读虽然简单可靠，但会带来性能问题。在高并发环境下，大量的锁竞争会导致事务阻塞，降低系统吞吐量。

为了提高并发性能，MySQL引入了非锁定读（Non-Locking Read）。非锁定读允许事务在不加锁的情况下读取数据，但同时也需要保证读取到的是一致的数据。MVCC正是实现一致性非锁定读的关键技术。

三、MVCC：多版本并发控制

MVCC的核心思想是为每一行数据维护多个版本，每个版本对应一个事务ID。当事务读取数据时，会选择满足特定条件的版本进行读取，从而避免了锁竞争，同时保证了数据的一致性。

3.1 MVCC的核心字段

在InnoDB存储引擎中，每行数据都包含以下隐藏字段，用于支持MVCC：

字段名	类型	描述
DB_TRX_ID	bigint	创建或最后一次修改该行的事务ID。
DB_ROLLBACK_PTR	bigint	指向回滚段（Rollback Segment）的指针。回滚段存储了该行的旧版本数据。
DB_ROW_ID	bigint	如果没有指定主键，InnoDB会自动创建一个隐藏的行ID。
delete_flag	bit	删除标记。当事务删除一行数据时，并不会立即物理删除，而是将delete_flag设置为1。

3.2 MVCC的工作原理

当事务开始时，会获得一个唯一的事务ID（trx_id）。在读取数据时，InnoDB会根据以下规则选择合适的版本：

1. 创建版本： DB_TRX_ID <= trx_id：该行的创建版本必须早于或等于当前事务ID。这意味着该行在当前事务开始之前就已经存在。
2. 删除版本： DB_TRX_ID > trx_id：该行的删除版本必须晚于当前事务ID。这意味着该行在当前事务开始之后才被删除。
3. 未删除版本： delete_flag = 0：该行未被标记为删除。

满足以上三个条件的版本，被认为是当前事务可见的。

举例说明：

假设有一张products表，包含id、name和stock三个字段。初始状态下，id=1的商品库存为10。

1. 初始状态：

   id	name	stock	DB_TRX_ID	DB_ROLLBACK_PTR	delete_flag
   1	ProductA	10	100	NULL	0

   • DB_TRX_ID = 100：创建该行的事务ID为100。

2. 事务A（trx_id = 200）更新库存：

   START TRANSACTION;
   UPDATE products SET stock = 5 WHERE id = 1;
   COMMIT;

   更新操作并不会直接修改原始数据，而是创建一个新的版本：

   id	name	stock	DB_TRX_ID	DB_ROLLBACK_PTR	delete_flag
   1	ProductA	5	200	指向旧版本	0
   1	ProductA	10	100	NULL	0

   • 新版本的DB_TRX_ID = 200：更新该行的事务ID为200。
   • DB_ROLLBACK_PTR指向旧版本，用于回滚操作。

3. 事务B（trx_id = 150）读取库存：

   START TRANSACTION;
   SELECT stock FROM products WHERE id = 1;
   COMMIT;

   事务B在读取数据时，会选择满足以下条件的版本：

   • DB_TRX_ID <= 150：100 <= 150，200 > 150。
   • delete_flag = 0。

   因此，事务B会读取到旧版本的数据，stock = 10。

4. 事务C（trx_id = 250）读取库存：

   START TRANSACTION;
   SELECT stock FROM products WHERE id = 1;
   COMMIT;

   事务C在读取数据时，会选择满足以下条件的版本：

   • DB_TRX_ID <= 250：100 <= 250，200 <= 250。
   • delete_flag = 0。

   因此，事务C会读取到新版本的数据，stock = 5。

通过MVCC机制，不同的事务可以读取到不同版本的数据，从而实现了并发读取，并且保证了数据的一致性。

3.3 如何查看MVCC版本链（了解）

虽然我们不能直接查看InnoDB隐藏字段的内容，但可以使用一些技巧来观察MVCC的行为。例如，可以通过创建一个存储过程，模拟更新操作，然后观察回滚段的变化。

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE show_mvcc_versions(IN p_id INT)
BEGIN
  DECLARE v_trx_id BIGINT;
  DECLARE v_rollback_ptr BIGINT;
  DECLARE v_stock INT;
  DECLARE v_delete_flag INT;

  -- 获取初始版本信息
  SELECT DB_TRX_ID, DB_ROLLBACK_PTR, stock, delete_flag
  INTO v_trx_id, v_rollback_ptr, v_stock, v_delete_flag
  FROM products WHERE id = p_id;

  SELECT 'Initial Version' AS Version, v_trx_id AS TRX_ID, v_rollback_ptr AS ROLLBACK_PTR, v_stock AS Stock, v_delete_flag AS Delete_Flag;

  -- 循环遍历回滚段
  WHILE v_rollback_ptr IS NOT NULL DO
    -- 注意：这里需要使用一些内部函数来访问回滚段数据，由于MySQL没有直接暴露这些函数，所以这部分代码是伪代码，仅用于说明思路
    -- 实际操作中，需要使用调试工具或者特定的API来访问回滚段
    -- SELECT TRX_ID, ROLLBACK_PTR, DATA FROM rollback_segment WHERE ID = v_rollback_ptr;
    -- 假设我们可以通过某种方式获取回滚段中的数据
    SET v_trx_id = 假设从回滚段中获取的TRX_ID;
    SET v_rollback_ptr = 假设从回滚段中获取的ROLLBACK_PTR;
    SET v_stock = 假设从回滚段中获取的Stock;
    SET v_delete_flag = 假设从回滚段中获取的Delete_Flag;

    SELECT 'Old Version' AS Version, v_trx_id AS TRX_ID, v_rollback_ptr AS ROLLBACK_PTR, v_stock AS Stock, v_delete_flag AS Delete_Flag;
  END WHILE;
END //
DELIMITER ;

注意： 上述存储过程中的访问回滚段的代码是伪代码，因为MySQL没有直接暴露访问回滚段的API。实际操作中，需要使用调试工具或者特定的API来访问回滚段，或者通过修改MySQL源码来实现。

四、MVCC与隔离级别

MVCC的实现与事务的隔离级别密切相关。不同的隔离级别对MVCC的行为有不同的影响。

MySQL支持四种隔离级别：

• 读未提交（Read Uncommitted）： 最低的隔离级别，事务可以读取到其他事务未提交的数据（脏读）。MVCC不生效。
• 读已提交（Read Committed）： 事务只能读取到其他事务已提交的数据。MVCC生效。每次读取数据时，都会重新选择版本。
• 可重复读（Repeatable Read）： 事务在整个执行过程中，多次读取同一数据时，读取到的数据始终保持一致。MVCC生效。事务开始时，会创建一个快照，后续读取都基于该快照。
• 串行化（Serializable）： 最高的隔离级别，强制事务串行执行，避免并发问题。MVCC失效，退化为锁定读。

InnoDB默认的隔离级别是可重复读（Repeatable Read）。

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读	MVCC是否生效
读未提交	是	是	是	否
读已提交	否	是	是	是
可重复读	否	否	是	是
串行化	否	否	否	否

Read Committed与Repeatable Read的区别：

• Read Committed： 每次读取数据时，都会选择最新的可见版本。这意味着在同一个事务中，多次读取同一数据，可能会读取到不同的值（不可重复读）。
• Repeatable Read： 事务开始时，会创建一个快照，后续读取都基于该快照。这意味着在同一个事务中，多次读取同一数据，读取到的值始终保持一致（可重复读）。

代码示例：

假设数据库隔离级别设置为REPEATABLE-READ。

-- 事务A
START TRANSACTION;
SELECT stock FROM products WHERE id = 1; -- 假设读取到 stock = 10
-- 事务B
START TRANSACTION;
UPDATE products SET stock = 5 WHERE id = 1;
COMMIT;
-- 事务A
SELECT stock FROM products WHERE id = 1; -- 仍然读取到 stock = 10 (因为基于快照)
COMMIT;

如果数据库隔离级别设置为READ-COMMITTED，事务A的第二次读取会读取到stock = 5。

五、MVCC的优势与局限性

优势：

• 提高并发性能： 通过非锁定读，避免了锁竞争，提高了系统的并发吞吐量。
• 保证数据一致性： 通过版本控制，保证了事务读取到的是一致的数据。

局限性：

• 存储空间开销： 需要维护多个版本的数据，增加了存储空间的开销。
• 版本管理开销： 需要定期清理过期版本的数据，增加了版本管理的开销。
• 幻读问题： 在Repeatable Read隔离级别下，MVCC可以避免不可重复读，但无法完全避免幻读。

六、解决幻读问题

幻读是指在一个事务中，多次执行同一查询，结果集中的记录数量不一致。例如，事务A第一次查询满足条件的记录有10条，事务B插入了一条满足条件的记录，事务A再次查询时，发现满足条件的记录变成了11条。

MVCC并不能完全避免幻读，因为MVCC只能保证读取到的现有记录的一致性，无法防止其他事务插入新的满足条件的记录。

为了解决幻读问题，可以使用以下方法：

1. 使用更高的隔离级别（Serializable）： Serializable隔离级别会强制事务串行执行，避免并发问题，但会降低并发性能。
2. 使用间隙锁（Gap Lock）： InnoDB在Repeatable Read隔离级别下，会使用间隙锁来防止其他事务插入新的记录，从而解决幻读问题。当事务执行SELECT ... FOR UPDATE或SELECT ... LOCK IN SHARE MODE时，InnoDB会自动添加间隙锁。

代码示例：

-- 事务A
START TRANSACTION;
SELECT * FROM products WHERE price > 100 FOR UPDATE; -- 添加间隙锁
-- 事务B
START TRANSACTION;
INSERT INTO products (name, price) VALUES ('ProductC', 150); -- 事务B会被阻塞，直到事务A提交
COMMIT;
-- 事务A
COMMIT;

七、总结一下

今天我们深入探讨了MySQL事务并发控制中一致性非锁定读的实现机制：MVCC。MVCC通过维护数据行的多个版本，使得事务可以在不加锁的情况下读取数据，从而提高了并发性能，同时保证了数据的一致性。我们还讨论了MVCC与隔离级别的关系，以及如何使用间隙锁来解决幻读问题。理解MVCC的工作原理对于优化MySQL数据库的性能至关重要。

八、MVCC的垃圾回收：清除旧版本

MVCC的一个重要组成部分是垃圾回收（Garbage Collection），也称为清除（Purge）。由于MVCC保留了数据的多个版本，因此需要定期清理不再需要的旧版本，以释放存储空间并提高查询性能。

InnoDB的清除操作是异步的，由专门的清除线程（Purge Thread）负责。清除线程会扫描回滚段，找到可以安全删除的旧版本数据，并将其物理删除。

判断版本是否可以删除的依据：

一个版本的数据可以被删除，需要满足以下条件：

1. 没有事务需要访问该版本： 这是最核心的条件。如果存在任何活跃事务，其事务ID小于或等于该版本的DB_TRX_ID，则该版本不能被删除，因为这些事务可能需要访问该版本的数据。
2. 该版本的数据已经被其他版本覆盖： 如果该版本是某个更新操作产生的旧版本，并且已经被新的版本覆盖，那么在满足第一个条件的前提下，就可以删除该版本。

清除操作是一个复杂的过程，需要仔细考虑各种并发情况，以避免数据丢失或一致性问题。

九、MVCC在不同场景下的应用

MVCC不仅仅应用于SELECT语句的非锁定读，它还影响着UPDATE和DELETE等DML操作。

• UPDATE： 当执行UPDATE操作时，InnoDB不会直接修改原始数据，而是创建一个新的版本，并将旧版本标记为过期。新版本的DB_TRX_ID为当前事务ID，DB_ROLLBACK_PTR指向旧版本。
• DELETE： 当执行DELETE操作时，InnoDB不会立即物理删除数据，而是将delete_flag设置为1，表示该行已被删除。其他事务在读取数据时，会根据MVCC规则过滤掉已被删除的行。

通过这种方式，MVCC保证了DML操作的原子性和隔离性。

十、总结：MVCC并发控制的核心策略

MVCC是一种强大的并发控制机制，它通过多版本管理和版本选择策略，实现了非锁定读，提高了并发性能，并保证了数据的一致性。理解MVCC的工作原理，可以帮助我们更好地理解MySQL的事务并发控制机制，从而更好地设计和优化数据库应用。