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卷起来!!这才是 MySQL 事务 & MVCC 的真相。
### 事务基础 1. 事务 事务 是一组操作的集合,它是一个不可分割的工作单位,事务会把所有的操作作为一个整体一起向系统提交或撤销操作请求,即这些操作要么同时成功,要么同时失败。 2. 特性 - 原子性(Atomicity):事务是不可分割的最小操作单元,要么全部成功,要么全部失败。 - 一致性(Consistency):事务完成时,必须使所有的数据都保持一致状态。 - 隔离性(Isolation):数据库系统提供的隔离机制,保证事务在不受外部并发操作影响的独立环境下运行。 - 持久性(Durability):事务一旦提交或回滚,它对数据库中的数据的改变就是永久的。 那实际上,我们研究事务的原理,就是研究 MySQL 的 InnoDB 引擎是如何保证事务的这四大特性的。  而对于这四大特性,实际上分为两个部分。 其中的原子性、一致性、持久化,实际上是由 InnoDB 中的两份日志来保证的,一份是 redo log 日志,一份是 undo log 日志。 而持久性是通过数据库的锁,加上 MVCC 来保证的。  接下来主要就是来研究一下 redolog,undolog 以及 MVCC。 ### redo log 重做日志,记录的是事务提交时数据页的物理修改,是用来实现事务的持久性。 该日志文件由两部分组成:重做日志缓冲(redo log buffer)以及重做日志文件(redo log file), 前者是在内存中,后者在磁盘中。当事务提交之后会把所有修改信息都存到该日志文件中,用于在刷新脏页到磁盘,发生错误时,进行数据恢复使用。 如果没有 redolog,可能会存在什么问题的? 我们一起来分析一下。 我们知道,在 InnoDB 引擎中的内存结构中,主要的内存区域就是缓冲池,在缓冲池中缓存了很多的数据页。 当我们在一个事务中,执行多个增删改的操作时,InnoDB 引擎会先操作缓冲池中的数据,如果缓冲区没有对应的数据,会通过后台线程将磁盘中的数据加载出来,存放在缓冲区中,然后将缓冲池中的数据修改,修改后的数据页我们称为脏页。 而脏页则会在一定的时机,通过后台线程刷新到磁盘中,从而保证缓冲区与磁盘的数据一致。 而缓冲区的脏页数据并不是实时刷新的,而是一段时间之后将缓冲区的数据刷新到磁盘中,假如刷新到磁盘的过程出错了,而提示给用户事务提交成功,而数据却没有持久化下来,这就出现问题了,没有保证事务的持久性。  那么,如何解决上述的问题呢? 在 InnoDB 中提供了一份日志 redo log,接下来我们再来分析一下,通过 redolog 如何解决这个问题。  有了 redolog 之后,当对缓冲区的数据进行增删改之后,会首先将操作的数据页的变化,记录在 redo log buffer 中。在事务提交时,会将 redo log buffer 中的数据刷新到 redo log 磁盘文件中。过一段时间之后,如果刷新缓冲区的脏页到磁盘时,**发生错误,此时就可以借助于 redo log 进行数据恢复,这样就保证了事务的持久性。** 而如果脏页成功刷新到磁盘 或 或者涉及到的数据已经落盘,此时 redolog 就没有作用了,就可以删除了,所以存在的两个 redolog 文件是循环写的。 那为什么每一次提交事务,要刷新 redo log 到磁盘中呢,而不是直接将 buffer pool 中的脏页刷新到磁盘呢? 因为在业务操作中,**我们操作数据一般都是随机读写磁盘的,而不是顺序读写磁盘。 而 redo log 在往磁盘文件中写入数据,由于是日志文件,所以都是顺序写的。顺序写的效率,要远大于随机写。** 这种先写日志的方式,称之为 WAL(Write-Ahead Logging)。 ### undo log 回滚日志,用于记录数据被修改前的信息,作用包含两个:提供回滚 (保证事务的原子性) 和 MVCC (多版本并发控制) 。 undo log 和 redo log 记录物理日志不一样,它是逻辑日志。可以认为当 delete 一条记录时,undolog 中会记录一条对应的 insert 记录,反之亦然,当 update 一条记录时,它记录一条对应相反的 update 记录。当执行 rollback 时,就可以从 undo log 中的逻辑记录读取到相应的内容并进行回滚。 Undo log 销毁:undo log 在事务执行时产生,事务提交时,并不会立即删除 undo log,因为这些日志可能还用于 MVCC。 Undo log 存储:undo log 采用段的方式进行管理和记录,存放在前面介绍的 rollback segment 回滚段中,内部包含 1024 个 undo log segment。 ## MVCC ### 基本概念 1. 当前读 读取的是记录的最新版本,读取时还要保证其他并发事务不能修改当前记录,会对读取的记录进行加锁。对于我们日常的操作,如:`select ... lock in share mode`(共享锁),`select ...for update`、`update`、`insert`、`delete`(排他锁) 都是一种当前读。 测试:  在测试中我们可以看到,即使是在默认的 RR 隔离级别下,事务 A 中依然可以读取到事务 B 最新提交的内容,因为在查询语句后面加上了 `lock in share mode` 共享锁,此时是当前读操作。当然,当我们加排他锁的时候,也是当前读操作。 2. 快照读 简单的 select(不加锁)就是快照读,快照读,读取的是记录数据的可见版本,有可能是历史数据,不加锁,是非阻塞读。 - Read Committed:每次 select,都生成一个快照读。 - Repeatable Read:开启事务后第一个 select 语句才是快照读的地方。 - Serializable:快照读会退化为当前读。 测试:  在测试中,我们看到即使事务 B 提交了数据,事务 A 中也查询不到。 原因就是因为普通的 select 是快照读,而在当前默认的 RR 隔离级别下,开启事务后第一个 select 语句才是快照读的地方,后面执行相同的 select 语句都是从快照中获取数据,可能不是当前的最新数据,这样也就保证了可重复读。 3. MVCC 全称 Multi-Version Concurrency Control,多版本并发控制。指维护一个数据的多个版本,使得读写操作没有冲突,快照读为 MySQL 实现 MVCC 提供了一个非阻塞读功能。MVCC 的具体实现,还需要依赖于数据库记录中的三个隐式字段、undo log 日志、readView。 接下来,我们再来介绍一下 InnoDB 引擎的表中涉及到的隐藏字段 、undolog 以及 readview,从而来介绍一下 MVCC 的原理。 ### 隐藏字段 #### 介绍  当我们创建了上面的这张表,我们在查看表结构的时候,就可以显式的看到这三个字段。 实际上除了这三个字段以外,InnoDB 还会自动的给我们添加三个隐藏字段及其含义分别是: | 隐藏字段 | 含义 | | --- | --- | | DB\_TRX\_ID | 最近修改事务 ID,记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务 ID。 | | `DB_ROLL_PTR` | 回滚指针,指向这条记录的上一个版本,用于配合 undo log,指向上一个版本。 | | `DB_ROW_ID` | 隐藏主键,如果表结构没有指定主键,将会生成该隐藏字段。 | 而上述的前两个字段是肯定会添加的, 是否添加最后一个字段 DB\_ROW\_ID,得看当前表有没有主键,如果有主键,则不会添加该隐藏字段。 #### 测试 1. 查看有主键的表 stu 进入服务器中的 /var/lib/mysql/MySQL\_Advanced/ , 查看 stu 的表结构信息,通过如下指令: ```sh ibd2sdi stu.ibd ``` 查看到的表结构信息中,有一栏 columns,在其中我们会看到处理我们建表时指定的字段以外,还有额外的两个字段 分别是:DB\_TRX\_ID 、 DB\_ROLL\_PTR ,因为该表有主键,所以没有 DB\_ROW\_ID 隐藏字段。 ```json { "name": "DB_TRX_ID", "type": 10, "is_nullable": false, "is_zerofill": false, "is_unsigned": false, "is_auto_increment": false, "is_virtual": false, "hidden": 2, "ordinal_position": 4, "char_length": 6, "numeric_precision": 0, "numeric_scale": 0, "numeric_scale_null": true, "datetime_precision": 0, "datetime_precision_null": 1, "has_no_default": false, "default_value_null": true, "srs_id_null": true, "srs_id": 0, "default_value": "", "default_value_utf8_null": true, "default_value_utf8": "", "default_option": "", "update_option": "", "comment": "", "generation_expression": "", "generation_expression_utf8": "", "options": "", "se_private_data": "table_id=1074;", "engine_attribute": "", "secondary_engine_attribute": "", "column_key": 1, "column_type_utf8": "", "elements": [], "collation_id": 63, "is_explicit_collation": false }, { "name": "DB_ROLL_PTR", "type": 9, "is_nullable": false, "is_zerofill": false, "is_unsigned": false, "is_auto_increment": false, "is_virtual": false, "hidden": 2, "ordinal_position": 5, "char_length": 7, "numeric_precision": 0, "numeric_scale": 0, "numeric_scale_null": true, "datetime_precision": 0, "datetime_precision_null": 1, "has_no_default": false, "default_value_null": true, "srs_id_null": true, "srs_id": 0, "default_value": "", "default_value_utf8_null": true, "default_value_utf8": "", "default_option": "", "update_option": "", "comment": "", "generation_expression": "", "generation_expression_utf8": "", "options": "", "se_private_data": "table_id=1074;", "engine_attribute": "", "secondary_engine_attribute": "", "column_key": 1, "column_type_utf8": "", "elements": [], "collation_id": 63, "is_explicit_collation": false } ``` 2. 查看没有主键的表 employee 建表语句: ```sql create table employee (id int , name varchar(10)); ``` 此时,我们再通过以下指令来查看表结构及其其中的字段信息: ```sql ibd2sdi employee.ibd ``` 查看到的表结构信息中,有一栏 columns,在其中我们会看到处理我们建表时指定的字段以外,还有额外的三个字段 分别是:DB\_TRX\_ID 、 DB\_ROLL\_PTR 、DB\_ROW\_ID,因为 employee 表是没有指定主键的。 ```json { "name": "DB_ROW_ID", "type": 10, "is_nullable": false, "is_zerofill": false, "is_unsigned": false, "is_auto_increment": false, "is_virtual": false, "hidden": 2, "ordinal_position": 3, "char_length": 6, "numeric_precision": 0, "numeric_scale": 0, "numeric_scale_null": true, "datetime_precision": 0, "datetime_precision_null": 1, "has_no_default": false, "default_value_null": true, "srs_id_null": true, "srs_id": 0, "default_value": "", "default_value_utf8_null": true, "default_value_utf8": "", "default_option": "", "update_option": "", "comment": "", "generation_expression": "", "generation_expression_utf8": "", "options": "", "se_private_data": "table_id=1076;", "engine_attribute": "", "secondary_engine_attribute": "", "column_key": 1, "column_type_utf8": "", "elements": [], "collation_id": 63, "is_explicit_collation": false }, { "name": "DB_TRX_ID", "type": 10, "is_nullable": false, "is_zerofill": false, "is_unsigned": false, "is_auto_increment": false, "is_virtual": false, "hidden": 2, "ordinal_position": 4, "char_length": 6, "numeric_precision": 0, "numeric_scale": 0, "numeric_scale_null": true, "datetime_precision": 0, "datetime_precision_null": 1, "has_no_default": false, "default_value_null": true, "srs_id_null": true, "srs_id": 0, "default_value": "", "default_value_utf8_null": true, "default_value_utf8": "", "default_option": "", "update_option": "", "comment": "", "generation_expression": "", "generation_expression_utf8": "", "options": "", "se_private_data": "table_id=1076;", "engine_attribute": "", "secondary_engine_attribute": "", "column_key": 1, "column_type_utf8": "", "elements": [], "collation_id": 63, "is_explicit_collation": false }, { "name": "DB_ROLL_PTR", "type": 9, "is_nullable": false, "is_zerofill": false, "is_unsigned": false, "is_auto_increment": false, "is_virtual": false, "hidden": 2, "ordinal_position": 5, "char_length": 7, "numeric_precision": 0, "numeric_scale": 0, "numeric_scale_null": true, "datetime_precision": 0, "datetime_precision_null": 1, "has_no_default": false, "default_value_null": true, "srs_id_null": true, "srs_id": 0, "default_value": "", "default_value_utf8_null": true, "default_value_utf8": "", "default_option": "", "update_option": "", "comment": "", "generation_expression": "", "generation_expression_utf8": "", "options": "", "se_private_data": "table_id=1076;", "engine_attribute": "", "secondary_engine_attribute": "", "column_key": 1, "column_type_utf8": "", "elements": [], "collation_id": 63, "is_explicit_collation": false } ], ``` ### undolog #### 介绍 回滚日志,在 insert、update、delete 的时候产生的便于数据回滚的日志。 当 insert 的时候,产生的 undo log 日志只在回滚时需要,在事务提交后,可被立即删除。 而 update、delete 的时候,产生的 undo log 日志不仅在回滚时需要,在快照读时也需要,不会立即被删除。 #### 版本链 有一张表原始数据为:  > `DB_TRX_ID` : 代表最近修改事务 ID,记录插入这条记录或最后一次修改该记录的事务 ID,是自增的。 > > `DB_ROLL_PTR`: 由于这条数据是才插入的,没有被更新过,所以该字段值为 null。 然后,有四个并发事务同时在访问这张表。 A. 第一步  当事务 2 执行第一条修改语句时,会记录 undo log 日志,记录数据变更之前的样子;然后更新记录,并且记录本次操作的事务 ID,回滚指针,回滚指针用来指定如果发生回滚,回滚到哪一个版本。  B. 第二步  当事务 3 执行第一条修改语句时,也会记录 undo log 日志,记录数据变更之前的样子;然后更新记录,并且记录本次操作的事务 ID,回滚指针,回滚指针用来指定如果发生回滚,回滚到哪一个版本。  C. 第三步  当事务 4 执行第一条修改语句时,也会记录 undo log 日志,记录数据变更之前的样子;然后更新记录,并且记录本次操作的事务 ID,回滚指针,回滚指针用来指定如果发生回滚,回滚到哪一个版本。  > 最终我们发现,不同事务或相同事务对同一条记录进行修改,会导致该记录的 undolog 生成一条记录版本链表,链表的头部是最新的旧记录,链表尾部是最早的旧记录。 ### readview ReadView(读视图)是 快照读 SQL 执行时 MVCC 提取数据的依据,记录并维护系统当前活跃的事务(未提交的)id。 ReadView 中包含了四个核心字段: | 字段 | 含义 | | --- | --- | | m\_ids | 当前活跃的事务 ID 集合 | | min\_trx\_id | 最小活跃事务 ID | | max\_trx\_id | 预分配事务 ID,当前最大事务 ID+1(因为事务 ID 是自增的) | | creator\_trx\_id | ReadView 创建者的事务 ID | 而在 readview 中就规定了版本链数据的访问规则: trx\_id 代表当前 undolog 版本链对应事务 ID。 | 条件 | 是否可以访问 | 说明 | | --- | --- | --- | | trx\_id == creator\_trx\_id | 可以访问该版本 | 成立,说明数据是当前这个事务更改的。 | | trx\_id < min\_trx\_id | 可以访问该版本 | 成立,说明数据已经提交了。 | | trx\_id > max\_trx\_id | 不可以访问该版本 | 成立,说明该事务是在 ReadView 生成后才开启。 | | min\_trx\_id <= trx\_id <= max\_trx\_id | 如果 trx\_id 不在 m\_ids 中,是可以访问该版本的 | 成立,说明数据已经提交。 | 不同的隔离级别,生成 ReadView 的时机不同: - READ COMMITTED :在事务中每一次执行快照读时生成 ReadView。 - REPEATABLE READ:仅在事务中第一次执行快照读时生成 ReadView,后续复用该 ReadView。 ### 原理分析 #### RC 隔离级别 RC 隔离级别下,在事务中**每一次**执行快照读时生成 ReadView。 我们就来分析事务 5 中,两次快照读读取数据,是如何获取数据的? 在事务 5 中,查询了两次 id 为 30 的记录,由于隔离级别为 Read Committed,所以每一次进行快照读都会生成一个 ReadView,那么两次生成的 ReadView 如下。  那么这两次快照读在获取数据时,就需要根据所生成的 ReadView 以及 ReadView 的版本链访问规则,到 undolog 版本链中匹配数据,最终决定此次快照读返回的数据。 A. 先来看第一次快照读具体的读取过程:  在进行匹配时,会从 undo log 的版本链,从上到下进行挨个匹配: - 先匹配  这条记录,这条记录对应的 trx\_id 为 4,也就是将 4 带入右侧的匹配规则中。 ①不满足 ②不满足 ③不满足 ④也不满足 ,都不满足,则继续匹配 undo log 版本链的下一条。 - 再匹配第二条  ,这条记录对应的 trx\_id 为 3,也就是将 3 带入右侧的匹配规则中。①不满足 ②不满足 ③不满足 ④也不满足 ,都不满足,则继续匹配 undo log 版本链的下一条。 - 再匹配第三条  ,这条记录对应的 trx\_id 为 2,也就是将 2 带入右侧的匹配规则中。①不满足 ②满足 终止匹配,此次快照读,返回的数据就是版本链中记录的这条数据。 B. 再来看第二次快照读具体的读取过程:  在进行匹配时,会从 undo log 的版本链,从上到下进行挨个匹配: - 先匹配  这条记录,这条记录对应的 trx\_id 为 4,也就是将 4 带入右侧的匹配规则中。 ①不满足 ②不满足 ③不满足 ④也不满足 ,都不满足,则继续匹配 undo log 版本链的下一条。 - 再匹配第二条  ,这条记录对应的 trx\_id 为 3,也就是将 3 带入右侧的匹配规则中。①不满足 ②满足 。终止匹配,此次快照读,返回的数据就是版本链中记录的这条数据。 #### RR 隔离级别 RR 隔离级别下,仅在事务中第一次执行快照读时生成 ReadView,后续复用该 ReadView。 而 RR 是可重复读,在一个事务中,执行两次相同的 select 语句,查询到的结果是一样的。 那 MySQL 是如何做到可重复读的呢?我们简单分析一下就知道了  我们看到,在 RR 隔离级别下,只是在事务中**第一次**快照读时生成 ReadView,后续都是复用该 ReadView,那么既然 ReadView 都一样, ReadView 的版本链匹配规则也一样, 那么最终快照读返回的结果也是一样的。 所以呢,MVCC 的实现原理就是通过 InnoDB 表的隐藏字段、UndoLog 版本链、ReadView 来实现的。而 MVCC + 锁,则实现了事务的隔离性。 而一致性则是由 redolog 与 undolog 保证。 
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2023年4月18日 06:31
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