JavaGuide/docs/database/mysql/innodb-implementation-of-mvcc.md

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title: InnoDB存储引擎对MVCC的实现
category: 数据库
tag:
  - MySQL
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## 多版本并发控制 (Multi-Version Concurrency Control)

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。

## 一致性非锁定读和锁定读

### 一致性非锁定读

对于 [**一致性非锁定读（Consistent Nonlocking Reads）**](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-consistent-read.html)的实现，通常做法是加一个版本号或者时间戳字段，在更新数据的同时版本号 + 1 或者更新时间戳。查询时，将当前可见的版本号与对应记录的版本号进行比对，如果记录的版本小于可见版本，则表示该记录可见

在 `InnoDB` 存储引擎中，[多版本控制 (multi versioning)](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-multi-versioning.html) 就是对非锁定读的实现。如果读取的行正在执行 `DELETE` 或 `UPDATE` 操作，这时读取操作不会去等待行上锁的释放。相反地，`InnoDB` 存储引擎会去读取行的一个快照数据，对于这种读取历史数据的方式，我们叫它快照读 (snapshot read)

在 `Repeatable Read` 和 `Read Committed` 两个隔离级别下，如果是执行普通的 `select` 语句（不包括 `select ... lock in share mode` ,`select ... for update`）则会使用 `一致性非锁定读（MVCC）`。并且在 `Repeatable Read` 下 `MVCC` 实现了可重复读和防止部分幻读

### 锁定读

如果执行的是下列语句，就是 [**锁定读（Locking Reads）**](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking-reads.html)

- `select ... lock in share mode`
- `select ... for update`
- `insert`、`update`、`delete` 操作

在锁定读下，读取的是数据的最新版本，这种读也被称为 `当前读（current read）`。锁定读会对读取到的记录加锁：

- `select ... lock in share mode`：对记录加 `S` 锁，其它事务也可以加`S`锁，如果加 `x` 锁则会被阻塞

- `select ... for update`、`insert`、`update`、`delete`：对记录加 `X` 锁，且其它事务不能加任何锁

在一致性非锁定读下，即使读取的记录已被其它事务加上 `X` 锁，这时记录也是可以被读取的，即读取的快照数据。上面说了，在 `Repeatable Read` 下 `MVCC` 防止了部分幻读，这边的 “部分” 是指在 `一致性非锁定读` 情况下，只能读取到第一次查询之前所插入的数据（根据 Read View 判断数据可见性，Read View 在第一次查询时生成）。但是！如果是 `当前读` ，每次读取的都是最新数据，这时如果两次查询中间有其它事务插入数据，就会产生幻读。所以， **`InnoDB` 在实现`Repeatable Read` 时，如果执行的是当前读，则会对读取的记录使用 `Next-key Lock` ，来防止其它事务在间隙间插入数据**

## InnoDB 对 MVCC 的实现

`MVCC` 的实现依赖于：**隐藏字段、Read View、undo log**。在内部实现中，`InnoDB` 通过数据行的 `DB_TRX_ID` 和 `Read View` 来判断数据的可见性，如不可见，则通过数据行的 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的历史版本。每个事务读到的数据版本可能是不一样的，在同一个事务中，用户只能看到该事务创建 `Read View` 之前已经提交的修改和该事务本身做的修改

### 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](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-multi-versioning.html)：

- `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

```c
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 */
}
```

[`Read View`](https://github.com/facebook/mysql-8.0/blob/8.0/storage/innobase/include/read0types.h#L298) 主要是用来做可见性判断，里面保存了 “当前对本事务不可见的其他活跃事务”

主要有以下字段：

- `m_low_limit_id`：目前出现过的最大的事务 ID+1，即下一个将被分配的事务 ID。大于等于这个 ID 的数据版本均不可见
- `m_up_limit_id`：活跃事务列表 `m_ids` 中最小的事务 ID，如果 `m_ids` 为空，则 `m_up_limit_id` 为 `m_low_limit_id`。小于这个 ID 的数据版本均可见
- `m_ids`：`Read View` 创建时其他未提交的活跃事务 ID 列表。创建 `Read View`时，将当前未提交事务 ID 记录下来，后续即使它们修改了记录行的值，对于当前事务也是不可见的。`m_ids` 不包括当前事务自己和已提交的事务（正在内存中）
- `m_creator_trx_id`：创建该 `Read View` 的事务 ID

**事务可见性示意图**（[图源](https://leviathan.vip/2019/03/20/InnoDB%E7%9A%84%E4%BA%8B%E5%8A%A1%E5%88%86%E6%9E%90-MVCC/#MVCC-1)）：

![trans_visible](./images/mvvc/trans_visible.png)

### 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

**`insert` 时的数据初始状态：**

![](./images/mvvc/317e91e1-1ee1-42ad-9412-9098d5c6a9ad.png)

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

**数据第一次被修改时：**

![](./images/mvvc/c52ff79f-10e6-46cb-b5d4-3c9cbcc1934a.png)

**数据第二次被修改时：**

![](./images/mvvc/6a276e7a-b0da-4c7b-bdf7-c0c7b7b3b31c.png)

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。

### 数据可见性算法

在 `InnoDB` 存储引擎中，创建一个新事务后，执行每个 `select` 语句前，都会创建一个快照（Read View），**快照中保存了当前数据库系统中正处于活跃（没有 commit）的事务的 ID 号**。其实简单的说保存的是系统中当前不应该被本事务看到的其他事务 ID 列表（即 m_ids）。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

[具体的比较算法](https://github.com/facebook/mysql-8.0/blob/8.0/storage/innobase/include/read0types.h#L161)如下([图源](https://leviathan.vip/2019/03/20/InnoDB%E7%9A%84%E4%BA%8B%E5%8A%A1%E5%88%86%E6%9E%90-MVCC/#MVCC-1))：

![](./images/mvvc/8778836b-34a8-480b-b8c7-654fe207a8c2.png)

1. 如果记录 DB_TRX_ID < m_up_limit_id，那么表明最新修改该行的事务（DB_TRX_ID）在当前事务创建快照之前就提交了，所以该记录行的值对当前事务是可见的

2. 如果 DB_TRX_ID >= m_low_limit_id，那么表明最新修改该行的事务（DB_TRX_ID）在当前事务创建快照之后才修改该行，所以该记录行的值对当前事务不可见。跳到步骤 5

3. m_ids 为空，则表明在当前事务创建快照之前，修改该行的事务就已经提交了，所以该记录行的值对当前事务是可见的

4. 如果 m_up_limit_id <= DB_TRX_ID < m_low_limit_id，表明最新修改该行的事务（DB_TRX_ID）在当前事务创建快照的时候可能处于“活动状态”或者“已提交状态”；所以就要对活跃事务列表 m_ids 进行查找（源码中是用的二分查找，因为是有序的）

   - 如果在活跃事务列表 m_ids 中能找到 DB_TRX_ID，表明：① 在当前事务创建快照前，该记录行的值被事务 ID 为 DB_TRX_ID 的事务修改了，但没有提交；或者 ② 在当前事务创建快照后，该记录行的值被事务 ID 为 DB_TRX_ID 的事务修改了。这些情况下，这个记录行的值对当前事务都是不可见的。跳到步骤 5

   - 在活跃事务列表中找不到，则表明“id 为 trx_id 的事务”在修改“该记录行的值”后，在“当前事务”创建快照前就已经提交了，所以记录行对当前事务可见

5. 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

## RC 和 RR 隔离级别下 MVCC 的差异

在事务隔离级别 `RC` 和 `RR` （InnoDB 存储引擎的默认事务隔离级别）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）

## MVCC 解决不可重复读问题

虽然 RC 和 RR 都通过 `MVCC` 来读取快照数据，但由于 **生成 Read View 时机不同**，从而在 RR 级别下实现可重复读

举个例子：

![](./images/mvvc/6fb2b9a1-5f14-4dec-a797-e4cf388ed413.png)

### 在 RC 下 ReadView 生成情况

**1. 假设时间线来到 T4 ，那么此时数据行 id = 1 的版本链为：**

![](./images/mvvc/a3fd1ec6-8f37-42fa-b090-7446d488fd04.png)

由于 RC 级别下每次查询都会生成`Read View` ，并且事务 101、102 并未提交，此时 `103` 事务生成的 `Read View` 中活跃的事务 **`m_ids` 为：[101,102]** ，`m_low_limit_id`为：104，`m_up_limit_id`为：101，`m_creator_trx_id` 为：103

- 此时最新记录的 `DB_TRX_ID` 为 101，m_up_limit_id <= 101 < m_low_limit_id，所以要在 `m_ids` 列表中查找，发现 `DB_TRX_ID` 存在列表中，那么这个记录不可见
- 根据 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的上一版本记录，上一条记录的 `DB_TRX_ID` 还是 101，不可见
- 继续找上一条 `DB_TRX_ID`为 1，满足 1 < m_up_limit_id，可见，所以事务 103 查询到数据为 `name = 菜花`

**2. 时间线来到 T6 ，数据的版本链为：**

![](./images/mvvc/528559e9-dae8-4d14-b78d-a5b657c88391.png)

因为在 RC 级别下，重新生成 `Read View`，这时事务 101 已经提交，102 并未提交，所以此时 `Read View` 中活跃的事务 **`m_ids`：[102]** ，`m_low_limit_id`为：104，`m_up_limit_id`为：102，`m_creator_trx_id`为：103

- 此时最新记录的 `DB_TRX_ID` 为 102，m_up_limit_id <= 102 < m_low_limit_id，所以要在 `m_ids` 列表中查找，发现 `DB_TRX_ID` 存在列表中，那么这个记录不可见

- 根据 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的上一版本记录，上一条记录的 `DB_TRX_ID` 为 101，满足 101 < m_up_limit_id，记录可见，所以在 `T6` 时间点查询到数据为 `name = 李四`，与时间 T4 查询到的结果不一致，不可重复读！

**3. 时间线来到 T9 ，数据的版本链为：**

![](./images/mvvc/6f82703c-36a1-4458-90fe-d7f4edbac71a.png)

重新生成 `Read View`， 这时事务 101 和 102 都已经提交，所以 **m_ids** 为空，则 m_up_limit_id = m_low_limit_id = 104，最新版本事务 ID 为 102，满足 102 < m_low_limit_id，可见，查询结果为 `name = 赵六`

> **总结：** **在 RC 隔离级别下，事务在每次查询开始时都会生成并设置新的 Read View，所以导致不可重复读**

### 在 RR 下 ReadView 生成情况

在可重复读级别下，只会在事务开始后第一次读取数据时生成一个 Read View（m_ids 列表）

**1. 在 T4 情况下的版本链为：**

![](./images/mvvc/0e906b95-c916-4f30-beda-9cb3e49746bf.png)

在当前执行 `select` 语句时生成一个 `Read View`，此时 **`m_ids`：[101,102]** ，`m_low_limit_id`为：104，`m_up_limit_id`为：101，`m_creator_trx_id` 为：103

此时和 RC 级别下一样：

- 最新记录的 `DB_TRX_ID` 为 101，m_up_limit_id <= 101 < m_low_limit_id，所以要在 `m_ids` 列表中查找，发现 `DB_TRX_ID` 存在列表中，那么这个记录不可见
- 根据 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的上一版本记录，上一条记录的 `DB_TRX_ID` 还是 101，不可见
- 继续找上一条 `DB_TRX_ID`为 1，满足 1 < m_up_limit_id，可见，所以事务 103 查询到数据为 `name = 菜花`

**2. 时间点 T6 情况下：**

![](./images/mvvc/79ed6142-7664-4e0b-9023-cf546586aa39.png)

在 RR 级别下只会生成一次`Read View`，所以此时依然沿用 **`m_ids`：[101,102]** ，`m_low_limit_id`为：104，`m_up_limit_id`为：101，`m_creator_trx_id` 为：103

- 最新记录的 `DB_TRX_ID` 为 102，m_up_limit_id <= 102 < m_low_limit_id，所以要在 `m_ids` 列表中查找，发现 `DB_TRX_ID` 存在列表中，那么这个记录不可见

- 根据 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的上一版本记录，上一条记录的 `DB_TRX_ID` 为 101，不可见

- 继续根据 `DB_ROLL_PTR` 找到 `undo log` 中的上一版本记录，上一条记录的 `DB_TRX_ID` 还是 101，不可见

- 继续找上一条 `DB_TRX_ID`为 1，满足 1 < m_up_limit_id，可见，所以事务 103 查询到数据为 `name = 菜花`

**3. 时间点 T9 情况下：**

![](./images/mvvc/cbbedbc5-0e3c-4711-aafd-7f3d68a4ed4e.png)

此时情况跟 T6 完全一样，由于已经生成了 `Read View`，此时依然沿用 **`m_ids`：[101,102]** ，所以查询结果依然是 `name = 菜花`

## MVCC➕Next-key-Lock 防止幻读

`InnoDB`存储引擎在 RR 级别下通过 `MVCC`和 `Next-key Lock` 来解决幻读问题：

**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](https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking.html#innodb-next-key-locks) 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

## 参考

- **《MySQL 技术内幕 InnoDB 存储引擎第 2 版》**
- [Innodb 中的事务隔离级别和锁的关系](https://tech.meituan.com/2014/08/20/innodb-lock.html)
- [MySQL 事务与 MVCC 如何实现的隔离级别](https://blog.csdn.net/qq_35190492/article/details/109044141)
- [InnoDB 事务分析-MVCC](https://leviathan.vip/2019/03/20/InnoDB%E7%9A%84%E4%BA%8B%E5%8A%A1%E5%88%86%E6%9E%90-MVCC/)

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