InnoDB MVCC 实现原理：trx_id, roll_pointer, undo log 协同工作机制详解
大家好，今天我们来深入探讨 InnoDB 的多版本并发控制 (MVCC) 实现机制，重点剖析 trx_id (事务ID), roll_pointer (回滚指针) 和 undo log (撤销日志) 这三个关键组件是如何协同工作，保证事务隔离性和数据一致性的。
1. 事务 ID (trx_id)：事务的唯一身份标识
trx_id 是 InnoDB 中每个事务的唯一标识符。它是一个递增的整数，由 InnoDB 存储引擎维护。每当一个新的事务启动时，InnoDB 都会分配一个新的 trx_id。
作用：
- 事务追踪: 识别和区分不同的事务。
- 版本控制: 用于判断数据行版本对当前事务的可见性。
- 隔离级别: 在不同的隔离级别下，
trx_id被用来确定哪些版本的数据可以被读取。
实现：
trx_id 的分配由 InnoDB 内部的事务系统管理。当事务开始时，会从一个全局的 trx_id 分配器获取一个新的 ID。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 事务开始时
trx_id_t start_transaction() {
trx_id_t new_id = global_trx_id_allocator.allocate();
// ... 其他事务初始化操作 ...
return new_id;
}2. 回滚指针 (roll_pointer)：数据版本链的纽带
roll_pointer 是一个指向 undo log 的指针。它存储在每一行数据的隐藏字段中。当一行数据被修改时，InnoDB 会将修改前的旧版本数据写入到 undo log 中，并将 roll_pointer 指向这个 undo log 记录。
作用：
- 版本链维护: 将同一行数据的不同版本串联起来，形成一个版本链。
- 版本回溯: 通过
roll_pointer可以找到数据的旧版本，用于实现 MVCC 的读取操作。
实现：
每一行数据（在InnoDB的聚簇索引中）都包含一个隐藏的 roll_pointer 字段。当数据被更新时，旧数据被写入 undo log，而 roll_pointer 则更新为指向新创建的 undo log 记录。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 更新一行数据时
void update_row(row_t* row, data_t new_data) {
// 1. 创建 undo log 记录，保存旧数据
undo_log_t* undo_log = create_undo_log(row->data);
// 2. 更新 roll_pointer 指向新的 undo log
row->roll_pointer = undo_log;
// 3. 更新数据
row->data = new_data;
}数据行结构 (简化版):
| 字段 | 类型 | 说明 |
|---|---|---|
| 数据列1 | … | 用户定义的数据列 |
| 数据列2 | … | 用户定义的数据列 |
| … | … | … |
trx_id |
trx_id_t |
创建或修改该行的事务 ID |
roll_pointer |
pointer |
指向 undo log 的指针，用于回溯到之前的版本 |
3. 撤销日志 (undo log)：数据恢复的基石
undo log 记录了数据修改前的原始状态。它用于在事务回滚时撤销修改，并为 MVCC 提供旧版本数据。undo log 分为两种类型：
- Insert Undo Log: 用于回滚
INSERT操作。 - Update Undo Log: 用于回滚
UPDATE和DELETE操作。
作用：
- 事务回滚: 在事务失败或显式回滚时，用于恢复数据到修改前的状态。
- MVCC 读取: 提供数据的旧版本，允许并发读取和写入。
实现：
undo log 存储在特殊的 undo log 段中。每个 undo log 记录包含足够的信息来恢复数据到之前的状态。对于 UPDATE 操作，undo log 会记录被修改的列的原始值。对于 DELETE 操作，undo log 会记录被删除行的所有信息。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 创建 undo log 记录 (以 UPDATE 为例)
undo_log_t* create_undo_log(data_t old_data) {
undo_log_t* undo_log = allocate_undo_log();
undo_log->type = UNDO_UPDATE;
undo_log->old_data = old_data;
return undo_log;
}
// 应用 undo log 记录 (回滚)
void apply_undo_log(undo_log_t* undo_log, row_t* row) {
if (undo_log->type == UNDO_UPDATE) {
row->data = undo_log->old_data;
} else if (undo_log->type == UNDO_INSERT) {
// ... 删除该行 ...
} // ... 其他类型的 undo log ...
}4. MVCC 工作流程：读取数据
当一个事务需要读取一行数据时，InnoDB 会根据以下规则判断数据的可见性：
-
版本可见性:
- 如果数据的
trx_id小于或等于当前事务的trx_id，说明该版本的数据在当前事务启动之前就已经存在，可以读取。 - 如果数据的
trx_id大于当前事务的trx_id，说明该版本的数据是在当前事务启动之后才被创建或修改的，不可读取。
- 如果数据的
-
删除标记:
- 如果数据的删除标记被设置，则表示该行已经被删除，不可读取。
如果当前版本的数据不可见，InnoDB 会沿着 roll_pointer 指向的 undo log 链，找到上一个版本的数据，并重复上述可见性判断，直到找到一个可见的版本或者到达版本链的末尾。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 读取一行数据时
data_t read_row(row_t* row, trx_id_t current_trx_id) {
row_t* current_version = row;
while (current_version != NULL) {
// 1. 检查版本可见性
if (current_version->trx_id <= current_trx_id) {
// 2. 检查删除标记 (假设存在 delete_flag 字段)
if (!current_version->delete_flag) {
return current_version->data; // 找到可见版本
}
}
// 3. 查找上一个版本
if (current_version->roll_pointer != NULL) {
undo_log_t* undo_log = current_version->roll_pointer;
// 根据 undo log 恢复到上一个版本
current_version = restore_row_from_undo_log(undo_log);
} else {
current_version = NULL; // 版本链结束
}
}
return NULL; // 没有找到可见版本
}5. MVCC 工作流程：更新数据
当一个事务需要更新一行数据时，InnoDB 会执行以下操作：
- 创建 undo log: 将旧版本的数据写入
undo log。 - 更新 roll_pointer: 将当前行的
roll_pointer指向新创建的undo log记录。 - 更新数据: 将新的数据写入到当前行。
- 更新 trx_id: 将当前行的
trx_id更新为当前事务的trx_id。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 更新一行数据时
void update_row(row_t* row, data_t new_data, trx_id_t current_trx_id) {
// 1. 创建 undo log 记录，保存旧数据
undo_log_t* undo_log = create_undo_log(row->data);
// 2. 更新 roll_pointer 指向新的 undo log
row->roll_pointer = undo_log;
// 3. 更新数据
row->data = new_data;
// 4. 更新 trx_id
row->trx_id = current_trx_id;
}6. MVCC 工作流程：删除数据
当一个事务需要删除一行数据时，InnoDB 不会立即物理删除该行，而是：
- 创建 undo log: 将旧版本的数据写入
undo log。 - 更新 roll_pointer: 将当前行的
roll_pointer指向新创建的undo log记录。 - 设置删除标记: 设置该行的删除标记，表示该行已被删除。
- 更新 trx_id: 将当前行的
trx_id更新为当前事务的trx_id。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 删除一行数据时
void delete_row(row_t* row, trx_id_t current_trx_id) {
// 1. 创建 undo log 记录，保存旧数据
undo_log_t* undo_log = create_undo_log(row->data);
// 2. 更新 roll_pointer 指向新的 undo log
row->roll_pointer = undo_log;
// 3. 设置删除标记
row->delete_flag = true;
// 4. 更新 trx_id
row->trx_id = current_trx_id;
}7. MVCC 与隔离级别
不同的隔离级别对 MVCC 的实现有不同的影响。
- 读未提交 (Read Uncommitted): 不使用 MVCC。可以读取到其他事务未提交的修改。
- 读已提交 (Read Committed): 每次读取都获取最新的已提交版本。同一个事务中，多次读取同一行数据，可能会得到不同的结果 (不可重复读)。
- 可重复读 (Repeatable Read): 在事务开始时创建一个快照，事务期间都读取该快照版本。同一个事务中，多次读取同一行数据，结果始终一致 (可重复读)。这是 InnoDB 默认的隔离级别。
- 串行化 (Serializable): 强制事务串行执行，避免并发问题。
在 Repeatable Read 隔离级别下，InnoDB 使用 MVCC 来保证可重复读。事务只会读取在事务开始时存在的版本，即使其他事务已经提交了新的修改。
8. Garbage Collection (GC) of Undo Logs
undo log 会占用存储空间。随着时间的推移，旧的 undo log 记录可能不再需要。InnoDB 会定期执行垃圾回收 (GC)，清理不再需要的 undo log。
判断 undo log 是否可以被清理的依据是：
- 没有事务需要访问该
undo log记录所对应的版本。 这意味着所有活跃的事务的trx_id都大于该undo log记录的trx_id，并且没有历史事务需要访问该版本。
代码示例 (伪代码，仅用于说明概念):
// 垃圾回收 undo log
void garbage_collect_undo_logs() {
// 1. 获取所有活跃事务的 trx_id 列表
std::vector<trx_id_t> active_trx_ids = get_active_transaction_ids();
// 2. 遍历 undo log 链
for (undo_log_t* undo_log : all_undo_logs) {
// 3. 检查是否有活跃事务需要访问该 undo log 记录所对应的版本
bool needed = false;
for (trx_id_t trx_id : active_trx_ids) {
if (undo_log->trx_id <= trx_id) {
needed = true;
break;
}
}
// 4. 如果没有事务需要访问，则可以清理
if (!needed) {
free_undo_log(undo_log);
}
}
}9. MVCC 的优势和局限性
优势：
- 提高并发性能： 允许读写操作并发执行，减少锁的竞争。
- 提供一致性视图： 保证事务读取到的数据是一致的。
- 支持不同的隔离级别： 可以根据应用的需求选择合适的隔离级别。
局限性：
- 需要额外的存储空间：
undo log会占用存储空间。 - 增加系统开销： MVCC 需要维护版本链，并进行版本判断，会增加系统开销。
- 长事务可能导致问题： 长时间运行的事务可能会阻止
undo log的垃圾回收，导致存储空间膨胀。
10. 总结：数据版本控制，并发事务协调
trx_id 作为事务的唯一标识，roll_pointer 连接数据版本形成版本链，undo log 存储旧版本数据。这三个组件协同工作，实现了 InnoDB 的 MVCC 机制，从而保证了事务的隔离性和数据一致性，并提高了并发性能。理解这些组件的原理，能够帮助我们更好地理解 InnoDB 的内部工作机制，优化数据库性能，并解决实际应用中遇到的并发问题。