Mysql进阶-InnoDB引擎事务原理及MVCC

系统管理员 2024-02-05 14:28 25阅读 0赞

## 事务原理 ##

### 事务基础 ###

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。

事务的四大特性：

>  *  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。

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。

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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。 而隔离性是通过数据库的锁， 加上MVCC来保证的。我们研究事务的原理，**主要就是来研究一下redolog，undolog以及MVCC。**

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### 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（Buffer Pool）**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。

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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。

### 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，undo log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。**即会记录到当前操作的相反操作，方便回滚**。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的销毁与存储

> 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 ###

#### 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。

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。

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#### 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。

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。

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#### 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**。

### 隐藏字段 ###

当我们创建表时，我们在查看表结构的时候，就可以显式的看到我们声明的字段。 实际上除了我们声明的字段以外，InnoDB还会自动的给我们添加三个隐藏字段及其含义分别是：

> 而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**。

<table style="width:500px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>隐藏字段</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">DB_TRX_ID</span></td> 
   <td>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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">DB_ROLL_PTR</span></td> 
   <td>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。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">DB_ROW_ID</span></td> 
   <td>隐藏主键，如果表结构没有指定主键，将会生成该隐藏字段。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

### 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 ####

> 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。注：**undolog日志记录的并不是具体的数据 ，他是要基于当前记录执行该日志才能得到上一版本的数据，这里是为了方便理解，将其指向数据**

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。

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![6611a9397cf1485fafed6b8fc730ebca.png][]

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。

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![9de68311f1f448a193c1354d506937c5.png][]

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。

![492dd47eedef4895a82490a25984bfde.png][]

![8c4f012cfb9c46b3aca73ecc4e2619de.png][]

**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：

<table style="width:500px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>字段</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">m_ids</span></td> 
   <td>当前活跃的事务ID集合</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">min_trx_id</span></td> 
   <td>最小活跃事务ID</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">max_trx_id</span></td> 
   <td>预分配事务ID，当前最大事务ID+1（因为事务ID是自增的）</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">creator_trx_id</span></td> 
   <td>ReadView创建者的事务ID</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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**）：

<table style="width:500px;"> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>条件</th> 
   <th>是否可以访问</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">trx_id == creator_trx_id</span></td> 
   <td>可以访问该版本</td> 
   <td>成立，说明数据是当前这个事务更改的。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">trx_id &lt; min_trx_id</span></td> 
   <td>可以访问该版本</td> 
   <td>成立，说明数据已经提交了。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">trx_id &gt; max_trx_id</span></td> 
   <td>不可以访问该版本</td> 
   <td>成立，说明该事务是在 ReadView生成后才开启。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#fe2c24;">min_trx_id &lt;= trx_id &lt;= max_trx_id</span></td> 
   <td>如果trx_id不在m_ids中， 是可以访问该版本的</td> 
   <td>成立，说明数据已经提交。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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。

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。

![0b796acd0d9c451fafd4ffef6cb1ce76.png][]

先来看第一次快照读具体的读取过程：

![7e78f1c9ebed46e895eb6fe2696c4345.png][]

![ef0c87cb6dd14be8a7f8eb2886c2140d.png][]

也就是说只要按照readview的访问规则，只要有一个满足规则即可返回对应的快照，根据这一规则mvcc实现读已提交这一事务隔离级别

>  *  先匹配![54b2729b907c4a0ba422bcc26d4b48ae.png][]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![765c7c799c6e4c52b09b59430d24e3ab.png][]，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![f09975629db148cb9c12ff9555b709c1.png][]，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。

#### 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。

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

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### 总结 ###

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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