Mysql——事务隔离级别与MVCC

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四个数据库并发问题

脏读（Dirty Read）：一个事务读取数据并且对数据进行了修改，这个修改对其他事务来说是可见的，即使当前事务没有提交。这时另外一个事务读取了这个还未提交的数据，但第一个事务突然回滚，导致数据并没有被提交到数据库，那第二个事务读取到的就是脏数据，这也就是脏读的由来。

丢失修改（Lost to modify）：在一个事务读取一个数据时，另外一个事务也访问了该数据，那么在第一个事务中修改了这个数据后，第二个事务也修改了这个数据。这样第一个事务内的修改结果就被丢失，因此称为丢失修改。

不可重复读（Unrepeatable read）：指在一个事务内多次读同一数据。在这个事务还没有结束时，另一个事务也访问该数据。那么，在第一个事务中的两次读数据之间，由于第二个事务的修改导致第一个事务两次读取的数据可能不太一样。这就发生了在一个事务内两次读到的数据是不一样的情况，因此称为不可重复读。

幻读（Phantom read）：在一个事务读取了几行数据，接着另一个并发事务插入了一些数据时。在随后的查询中，第一个事务就会发现多了一些原本不存在的记录，就好像发生了幻觉一样，所以称为幻读。

事务隔离级别

SQL定义的事务隔离级别分为四级：

READ UNCOMMITTED 读未提交：允许读取未被提交的数据。

READ COMMITTED 读已提交：只允许读取已被提交的数据。

REPEATABLE READ 可重复读 ：可重复读。

SERIALIZABLE 串行执行：所有事务严格串行执行。

对应的会产生的并发问题：

脏读 不可重复读 幻读
READ UNCOMMITTED × × ×
READ COMMITTED × ×
REPEATABLE READ ×
SERIALIZABLE

但对于Mysql的innodb，其REPEATABLE READ使用了MVCC + 临键锁 Next-key Lock，可以解决幻读问题。

InnoDB行锁

记录锁（Record Lock）：属于单个行记录上的锁。

间隙锁（Gap Lock）：锁定一个范围，不包括记录本身。

临键锁（Next-Key Lock）：Record Lock+Gap Lock，锁定一个范围，包含记录本身，主要目的是为了解决幻读问题。记录锁只能锁住已经存在的记录，为了避免插入新记录，需要依赖间隙锁。

MySQL事务隔离级别与实现

MySQL InnoDB 默认使用的隔离级别为REPEATABLE READ 可重复读。

对于每种级别的具体实现如下：

READ UNCOMMITTED：无

READ COMMITTED：MVCC（在每次Select前生成Read View）

REPEATABLE READ ：MVCC（只在事务第一次Select前生成Read View） + Next-key Lock

SERIALIZABLE：锁

MySQL InnoDB的RR级别如何解决幻读的？

1、执行普通 select，此时会以 MVCC 快照读的方式读取数据

在快照读的情况下，RR 隔离级别只会在事务开启后的第一次查询生成 Read View ，并使用至事务提交。所以在生成 Read View 之后其它事务所做的更新、插入记录版本对当前事务并不可见，实现了可重复读和防止快照读下的 “幻读”。

2、执行 select…for update/lock in share mode、insert、update、delete 等当前读

在当前读下，读取的都是最新的数据，如果其它事务有插入新的记录，并且刚好在当前事务查询范围内，就会产生幻读！InnoDB 使用 Next-key Lock来防止这种情况。当执行当前读时，会锁定读取到的记录的同时，锁定它们的间隙，防止其它事务在查询范围内插入数据。只要我不让你插入，就不会发生幻读。

MVCC（多版本并发控制）

MVCC 是一种并发控制机制，用于在多个并发事务同时读写数据库时保持数据的一致性和隔离性。它是通过在每个数据行上维护多个版本的数据来实现的。当一个事务要对数据库中的数据进行修改时，MVCC 会为该事务创建一个数据快照，而不是直接修改实际的数据行。

1、读操作（SELECT）：

当一个事务执行读操作时，它会使用快照读取。快照读取是基于事务开始时数据库中的状态创建的，因此事务不会读取其他事务尚未提交的修改。具体工作情况如下：

  • 对于读取操作，事务会查找符合条件的数据行，并选择符合其事务开始时间的数据版本进行读取。
  • 如果某个数据行有多个版本，事务会选择不晚于其开始时间的最新版本，确保事务只读取在它开始之前已经存在的数据。
  • 事务读取的是快照数据，因此其他并发事务对数据行的修改不会影响当前事务的读取操作。

2、写操作（INSERT、UPDATE、DELETE）：

当一个事务执行写操作时，它会生成一个新的数据版本，并将修改后的数据写入数据库。具体工作情况如下：

  • 对于写操作，事务会为要修改的数据行创建一个新的版本，并将修改后的数据写入新版本。
  • 新版本的数据会带有当前事务的版本号，以便其他事务能够正确读取相应版本的数据。
  • 原始版本的数据仍然存在，供其他事务使用快照读取，这保证了其他事务不受当前事务的写操作影响。

3、事务提交和回滚：

  • 当一个事务提交时，它所做的修改将成为数据库的最新版本，并且对其他事务可见。
  • 当一个事务回滚时，它所做的修改将被撤销，对其他事务不可见。

4、版本的回收：

为了防止数据库中的版本无限增长，MVCC 会定期进行版本的回收。回收机制会删除已经不再需要的旧版本数据，从而释放空间。

MVCC 通过创建数据的多个版本和使用快照读取来实现并发控制。读操作使用旧版本数据的快照，写操作创建新版本，并确保原始版本仍然可用。这样，不同的事务可以在一定程度上并发执行，而不会相互干扰，从而提高了数据库的并发性能和数据一致性。

InnoDB对于MVCC的实现

MVCC 的实现依赖于：隐藏字段、Read View、undo log。

隐藏字段

在内部，InnoDB 存储引擎为每行数据添加了三个隐藏字段：

  • DB_TRX_ID（6字节）：表示最后一次插入或更新该行的事务 id。此外，delete 操作在内部被视为更新，只不过会在记录头 Record header 中的 deleted_flag 字段将其标记为已删除
  • DB_ROLL_PTR（7字节） 回滚指针，指向该行的 undo log 。如果该行未被更新，则为空
  • DB_ROW_ID（6字节）：如果没有设置主键且该表没有唯一非空索引时，InnoDB 会使用该 id 来生成聚簇索引

ReadView

ReadView是一个数据结构，属于事务，主要用来进行可见性判断。

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class ReadView {
  /* ... */
private:
  trx_id_t m_low_limit_id;      /* 大于等于这个 ID 的事务均不可见 */

  trx_id_t m_up_limit_id;       /* 小于这个 ID 的事务均可见 */

  trx_id_t m_creator_trx_id;    /* 创建该 Read View 的事务ID */

  trx_id_t m_low_limit_no;      /* 事务 Number, 小于该 Number 的 Undo Logs 均可以被 Purge */

  ids_t m_ids;                  /* 创建 Read View 时的活跃事务列表 */

  m_closed;                     /* 标记 Read View 是否 close */
}

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undo log

undo log 主要有两个作用：

  • 当事务回滚时用于将数据恢复到修改前的样子
  • 另一个作用是 MVCC ，当读取记录时，若该记录被其他事务占用或当前版本对该事务不可见，则可以通过 undo log 读取之前的版本数据，以此实现非锁定读

在 InnoDB 存储引擎中 undo log 分为两种：insert undo log 和 update undo log：

  1. insert undo log：指在 insert 操作中产生的 undo log。因为 insert 操作的记录只对事务本身可见，对其他事务不可见，故该 undo log 可以在事务提交后直接删除。不需要进行 purge 操作。
  2. update undo log：update 或 delete 操作中产生的 undo log。该 undo log可能需要提供 MVCC 机制，因此不能在事务提交时就进行删除。提交时放入 undo log 链表，等待 purge线程 进行最后的删除。

不同事务或者相同事务的对同一记录行的修改，会使该记录行的 undo log 成为一条链表，链首就是最新的记录，链尾就是最早的旧记录。

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最终流程

当用户在这个事务中要读取某个记录行的时候，InnoDB 会将该记录行的 DB_TRX_ID 与 Read View 中的一些变量及当前事务 ID 进行比较，判断是否满足可见性条件，具体的：

  1. 取出该记录行的DB_TRX_ID，判断是否可见：
    1. DB_TRX_ID >= m_low_limit_id 的肯定不可见；
    2. DB_TRX_ID < m_up_limit_id 的肯定可见；
    3. 对于中间的，要看DB_TRX_ID是否在活跃事务列表m_ids中，在说明不可见，不在说明可见；
  2. 如果可见，那么该记录行的值对于这次Read View是可见的；
  3. 如果不可见，在该记录行的 DB_ROLL_PTR 指针所指向的 undo log 取出快照记录，用快照记录的 DB_TRX_ID 跳到步骤 1 重新开始判断，直到找到满足的快照版本或返回空。
  4. 最后返回满足可见性的结果。

RC和RR隔离级别下MVCC的差异

在事务隔离级别 RC 和 RR 下，InnoDB 存储引擎使用 MVCC（非锁定一致性读），但它们生成 Read View 的时机却不同：

  • 在 RC 隔离级别下的 每次select 查询前都生成一个Read View (m_ids 列表)
  • 在 RR 隔离级别下只在事务开始后 第一次select 数据前生成一个Read View（m_ids 列表）

由于RR隔离级别下只在事务开始后第一次select数据前生成一个Read View，所以整个事务的所有select可见性是一致的，这就保证了可重复读。