在并发环境下，数据库需要处理多个事务同时访问和修改数据的情况。 为了保证数据的一致性和隔离性，数据库需要采用一些并发控制机制。 MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制） 是一种常用的并发控制技术，被广泛应用于各种关系型数据库中，如 MySQL (InnoDB)、PostgreSQL 等。
本文将深入探讨 MVCC 的原理、实现方式以及优缺点，帮助你更好地理解数据库的并发控制机制。
1. 为什么需要 MVCC？
传统的并发控制方法，如锁机制，虽然可以保证数据的一致性，但在高并发场景下可能会导致大量的锁竞争，降低系统的吞吐量。 想象一下，如果多个事务同时需要修改同一行数据，那么这些事务就需要排队等待锁的释放，这会大大降低系统的性能。
MVCC 的出现就是为了解决这个问题。 MVCC 通过为每一行数据维护多个版本，允许多个事务同时读取不同版本的数据，从而避免了锁的竞争，提高了系统的并发性能。
2. MVCC 的核心思想
MVCC 的核心思想是：为每一行数据维护多个版本，每个版本都包含创建该版本的事务 ID 和删除该版本的事务 ID。
- 版本链： 同一行数据的不同版本按照时间顺序组成一个版本链。
- 事务 ID： 数据库会为每个事务分配一个唯一的事务 ID，用于标识事务的开始时间和结束时间。
- 可见性判断： 当事务读取数据时，数据库会根据事务 ID 和版本链中的事务 ID，判断该版本的数据对当前事务是否可见。
简单来说，MVCC 允许多个事务同时读取同一行数据的不同版本，只有在修改数据时才需要加锁。 这样可以大大减少锁的竞争，提高系统的并发性能。
3. MVCC 的实现方式
MVCC 的实现方式有很多种，常见的有以下两种：
- 快照读（Snapshot Read）： 读取数据时，读取的是数据的快照版本，而不是最新的版本。 快照版本是在事务开始时创建的，因此事务只能看到在它开始之前已经提交的数据。
- 当前读（Current Read）： 读取数据时，读取的是最新的版本。 如果有其他事务正在修改该数据，则需要加锁等待。
大多数数据库都同时支持快照读和当前读。 快照读用于普通的 SELECT 语句，可以避免锁的竞争。 当前读用于需要读取最新数据的场景，如 UPDATE、DELETE 等语句。
3.1 快照读（Snapshot Read）：
-
版本链： 每行数据都有一个版本链，包含多个版本的数据。 每个版本都包含创建该版本的事务 ID 和删除该版本的事务 ID。
-
Read View： 每个事务在开始时都会创建一个 Read View，用于判断版本链中的哪个版本对当前事务可见。 Read View 包含以下信息：
- m_ids： 当前系统中所有活跃的事务 ID 列表（不包括当前事务）。
- min_trx_id：
m_ids中最小的事务 ID。 - max_trx_id： 下一个要分配的事务 ID，表示当前系统中最大的事务 ID。
- creator_trx_id： 创建该 Read View 的事务 ID。
-
可见性判断规则： 当事务读取数据时，会根据以下规则判断版本链中的哪个版本对当前事务可见：
-
如果版本的创建者 ID (trx_id) 小于
min_trx_id，则该版本对当前事务可见。 这表示该版本是在当前事务开始之前就已经提交的事务创建的。 -
如果版本的创建者 ID (trx_id) 大于等于
max_trx_id，则该版本对当前事务不可见。 这表示该版本是在当前事务开始之后创建的。 -
如果版本的创建者 ID (trx_id) 在
min_trx_id和max_trx_id之间，则需要判断该 ID 是否在m_ids列表中：- 如果在
m_ids列表中，则该版本对当前事务不可见。 这表示创建该版本的事务在当前事务开始时仍然活跃，尚未提交。 - 如果不在
m_ids列表中，则该版本对当前事务可见。 这表示创建该版本的事务在当前事务开始之前就已经提交。
- 如果在
-
如果版本的删除者 ID (delete_trx_id) 不为空，并且小于等于当前事务的 ID，则该版本对当前事务不可见。 这表示该版本已经被删除。
-
举例说明：
假设有三个事务：
- 事务 A (ID: 10)
- 事务 B (ID: 12)
- 事务 C (ID: 15)
当前系统中活跃的事务 ID 列表为 m_ids = [12, 15]，min_trx_id = 12，max_trx_id = 16，事务 A 创建了 Read View。
现在有一行数据，其版本链如下：
- 版本 1: 创建者 ID = 8, 删除者 ID = null
- 版本 2: 创建者 ID = 12, 删除者 ID = null
- 版本 3: 创建者 ID = 15, 删除者 ID = null
根据可见性判断规则：
- 版本 1 的创建者 ID (8) 小于
min_trx_id(12)，因此对事务 A 可见。 - 版本 2 的创建者 ID (12) 在
m_ids列表中，因此对事务 A 不可见。 - 版本 3 的创建者 ID (15) 在
m_ids列表中，因此对事务 A 不可见。
因此，事务 A 只能看到版本 1 的数据。
3.2 当前读（Current Read）：
当前读读取的是最新的版本，因此需要保证读取的数据是最新的，并且没有被其他事务修改。 为了实现这一点，当前读通常需要加锁。
- 共享锁（Shared Lock）： 用于读取数据，允许多个事务同时读取同一行数据，但不允许修改。
- 排他锁（Exclusive Lock）： 用于修改数据，只允许一个事务修改同一行数据，其他事务需要等待锁的释放。
当事务执行 UPDATE 或 DELETE 语句时，需要先获取对应数据的排他锁，才能进行修改操作。
4. MVCC 的优缺点
优点：
- 提高并发性能： 允许多个事务同时读取不同版本的数据，避免了锁的竞争，提高了系统的并发性能。
- 实现可重复读隔离级别： 通过快照读，每个事务只能看到在它开始之前已经提交的数据，保证了事务的可重复读。
- 减少死锁的发生： 减少了锁的使用，降低了死锁发生的概率。
缺点：
- 增加存储空间： 需要为每一行数据维护多个版本，增加了存储空间的开销。
- 需要定期清理旧版本： 需要定期清理不再需要的旧版本数据，以释放存储空间。
- 实现复杂： MVCC 的实现比较复杂，需要考虑版本链的维护、Read View 的创建、可见性判断等问题。
5. MVCC 的应用
MVCC 被广泛应用于各种关系型数据库中，如：
- MySQL (InnoDB)： InnoDB 存储引擎使用 MVCC 来实现可重复读隔离级别。
- PostgreSQL： PostgreSQL 也使用 MVCC 来实现并发控制。
- Oracle： Oracle 数据库也支持 MVCC。
6. 总结
MVCC 是一种常用的并发控制技术，通过为每一行数据维护多个版本，允许多个事务同时读取不同版本的数据，从而避免了锁的竞争，提高了系统的并发性能。 MVCC 的实现方式有很多种，常见的有快照读和当前读。 MVCC 具有提高并发性能、实现可重复读隔离级别、减少死锁发生等优点，但也存在增加存储空间、需要定期清理旧版本等缺点。
希望本文能够帮助你更好地理解 MVCC 的原理和应用！
关键词： MVCC, 多版本并发控制, 数据库, 并发控制, 事务, 隔离级别, 快照读, 当前读, Read View, 版本链
参考资料：
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