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說說一致性讀實現(xiàn)原理？

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這個問題是我當初在面天貓的時候，2面的面試官問我的，我之前已經(jīng)寫過mvcc的文章了，但是在看到我筆記的里的這個問題的時候我準備單獨理一遍，所以就有了這個文章。

現(xiàn)在，主流關系型數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品基本都實現(xiàn)了MVCC的特性，快照在MVCC中起著重要的作用，代表某一時刻數(shù)據(jù)的版本，它是實現(xiàn)一致性讀的基礎。在更新操作沒提交前，數(shù)據(jù)的前鏡像存儲在Undo中，利用Undo可以實現(xiàn)一致性讀，事務回滾以及異?；謴偷炔僮鳎旅婢土牧腗ySQL事務，MVCC，快照及一致讀的原理與實現(xiàn)。

MySQL中的事務

事務在RDBMS系統(tǒng)中概念基本都是一樣的，是由一組DML語句構的工作單元，要么全部成功，要么全部失敗。

開發(fā)過程中，比較關心長事務，即包含DML語句多的工作單元，事務太長會導致一些錯誤，例如可能由于事務數(shù)據(jù)包大小超過參數(shù)max_allowed_packet設置會導致程序報錯，也可能有事務中某個SQL對應接口報錯，導致整個服務調(diào)用失敗，在程序設計時，應該考慮避免長事務帶來的業(yè)務影響。

事務的ACID

image-20201114221841801

原子性是事務隔離的基礎，隔離性和持久性是手段，最終目的是為了保持數(shù)據(jù)的一致性。

事務的并發(fā)問題

  • 臟讀：事務A讀取了事務B未提交的數(shù)據(jù)。
  • 不可重復度：事務A多次讀取同一份數(shù)據(jù)，事務B在此過程中對數(shù)據(jù)修改并提交，導致事務A多次讀取同一份數(shù)據(jù)的結果不一致。
  • 幻讀：事務A修改數(shù)據(jù)的同時，事務B插入了一條數(shù)據(jù)，當事務A提交后發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)沒被修改，產(chǎn)生了幻覺。

不可重復讀側重于update操作，幻讀側重于insert或delete。解決不可重復讀的問題只需鎖住滿足條件的行，解決幻讀需要鎖表。

事務隔離級別

事務隔離是數(shù)據(jù)庫處理的基礎之一，隔離級別在多個事務同時進行更改和執(zhí)行查詢時，對性能與結果的可靠性、一致性和可再現(xiàn)性之間的平衡進行調(diào)整，InnoDB利用不同的鎖策略支持不同隔離級別。MySQL中有四種隔離級別，分別是讀未提交(READ UNCOMMITTED)，讀已提交(READ COMMITTED)，可重復讀(REPEATABLE READ)以及串行化(SERIALIZABLE)。

隔離級別臟讀不可重復讀幻讀
READ UNCOMMITTEDYesYesYes
READ COMMITTEDNoYesYes
REPEATABLE READNoNoYes
SERIALIZABLENoNoNo

InnoDB并發(fā)控制

MVCC特性

InnonDB是一個支持行鎖的存儲引擎，為了提供更好支持的并發(fā)，使用了非鎖定讀，不需要等待訪問數(shù)據(jù)上的鎖釋放，而是讀取行的一個快照，該方法是通過InnonDB MVCC特性實現(xiàn)的。

MVCC是Multi-Version Concurrency Control的簡稱，即多版本并發(fā)控制，作用是讓事務在并行發(fā)生時，在一定隔離級別前提下，可以保證在某個事務中能實現(xiàn)一致性讀，也就是該事務啟動時根據(jù)某個條件讀取到的數(shù)據(jù)，直到事務結束時，再次執(zhí)行相同條件，還是讀到同一份數(shù)據(jù)，不會發(fā)生變化。

MVCC的好處

讀不加鎖，讀寫不沖突。在讀多寫少的OLTP應用中，讀寫不沖突是非常重要的，可以增加系統(tǒng)的并發(fā)性能。

在MVCC中，有兩種讀操作：快照度和當前讀。

MVCC快照

MVCC內(nèi)部使用的一致性讀快照稱為Read View，在不同的隔離級別下，事務啟動時或者SQL語句開始時，看到的數(shù)據(jù)快照版本可能也不同，在RR、RC隔離級別下會用到 Read view。

InnoDB 里面每個事務有一個唯一的事務ID，稱為Transaction ID，它是在事務開始的時候向InnoDB的事務系統(tǒng)申請的，是按申請順序嚴格遞增的。而每行數(shù)據(jù)都有多個版本。每次事務更新數(shù)據(jù)的時候，都會生成一個新的數(shù)據(jù)版本Read View，并且把Transaction ID賦值給這個數(shù)據(jù)版本的事務 ID，標記為 row_trx_id。同時舊的數(shù)據(jù)版本要保留，并且在新的數(shù)據(jù)版本中，能夠有信息可以直接拿到它,數(shù)據(jù)表中的一行記錄，其實可能有多個數(shù)據(jù)版本 ，每個版本有自己的 row_trx_id。

InnoDB行格式

目前InnoDB默認的行格式Dynamic，是Compat格式的增強版，記錄頭結構信息占用5個字節(jié)，事務ID和回滾指針分別占用6和7個字節(jié)，行格式如下：

記錄頭結構

項目大?。╞it）描述
()1Unknown
()1Unknown
deleted_flag1數(shù)據(jù)行刪除標記
min_rec_flag1=1如果該記錄被預先被定義為最小的記錄
n_owned4擁有的記錄數(shù)
heap_no13索引堆中該條記錄的排序位置
record_type3記錄類型；000：普通，001：B+樹葉子節(jié)點，010：偽列Infinum，011：Supernum，1xx：保留
next_record16page中下一條記錄的相對位置
Transaction ID48記錄中的事務ID，固定6個字節(jié)
Rollback Pointer56回滾指針，固定7個字節(jié)

數(shù)據(jù)行存儲

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. #創(chuàng)建表 
    2.   
  
  
  
  2. mysql> create table store_users (id int not null auto_increment primary key comment '主鍵id',name varchar(20) not null default '' comment '姓名'); 
    3.   
  
  
  
  3. # 查看表狀態(tài)信息 
    4.   
  
  
  
  4. mysql> show table status like 'store_users'\G 
    5.   
  
  
  
  5.      Row_format: Dynamic    #默認行格式為Dynamic 
    6.   
  
  
  
  6.            Rows: 0          #行數(shù) 
    7.   
  
  
  
  7.  Avg_row_length: 0          #平均行長度 
    8.   
  
  
  
  8.     Data_length: 16384      #初始化段大小16K 
    9.   
  
  
  
  9.      
    10.   
  
  
  
  10. #開啟事務，插入數(shù)據(jù) 
    11.   
  
  
  
  11. mysql> begin; 
    12.   
  
  
  
  12. mysql> insert into store_users values(null, 'aaaaa'),(null, 'bbbbb'); 
    13.   
  
  
  
  13. #查看InnoDB分配的事務ID 
    14.   
  
  
  
  14. mysql> select trx_id from information_schema.innodb_trx\G 
    15.   
  
  
  
  15. trx_id: 8407246  #事務ID 
    16.

分析表的行頭信息以及隱藏的事務ID和回滾指針。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. # 用Linux下的工具hexdump進行分析 
    2.   
  
  
  
  2. $ hexdump -C -v /usr/local/var/mysql/test/store_users.ibd > store_users.txt  
    3.   
  
  
  
  3. $ vi store_users.txt 
    4.   
  
  
  
  4. 00010060  02 00 1b 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 03 00 0b 00 00  |...infimum......| 
    5.   
  
  
  
  5. 00010070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  05 00 00 10 00 1c 80 00  |supremum........| 
    6.   
  
  
  
  6. 00010080  00 01 00 00 00 80 48 ce  83 00 00 01 d8 01 10 61  |......H........a|   #Record Header信息 
    7.   
  
  
  
  7. 00010090  61 61 61 61 05 00 00 18  ff d6 80 00 00 02 00 00  |aaaa............| 
    8.   
  
  
  
  8. 000100a0  00 80 48 ce 83 00 00 01  d8 01 1d 62 62 62 62 62  |..H........bbbbb| 
    9.   
  
  
  
  9. 000100b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................| 
    10.
  • 10表示變長字段長度，只有一個varchar(20)沒有超過256字節(jié)，且沒有NULL值。
  • 00代表NULL標志位，第一行沒有為NULL數(shù)據(jù)。
  • 字符a的十六進制是61，即61 61 61 61 61代表的是字段值aaaaa
  • 00 00 00 80 48 ce 6個字節(jié)就是Transaction ID，轉(zhuǎn)換成十進制8407246，正是上面information_schema.innodb_trx.trx_id列的值，trx_id: 8407246 。
  • 83 00 00 01 d8 01 10 7個字節(jié)是Rollback Pointer。
  • 1c 80 00 00 01 是5個字節(jié)，代表Record Header信息。

隔離級別與快照

REPEATABLE READ

默認的隔離級別，一致讀快照(Read View)是在第一次SELECT發(fā)起時建立，之后不會再發(fā)生變化。如果在同一個事務中發(fā)出多個非 鎖定SELECT語句，那么這些SELECT語句在事務提交前返回的結果是一致的。

在RR下快照Read View不是事務發(fā)起時創(chuàng)建，而是在第一個SELECT發(fā)起后創(chuàng)建。

READ COMMITTED

在READ COMMITTED讀已提交下，一致讀快照(Read View)是在每次SELECT后都會生成最新的Read View，即每次SELECT都能讀取到已COMMIT的數(shù)據(jù)，就會存在不可重復讀、幻讀 現(xiàn)象。

Undo回滾段

當開啟事務執(zhí)行更新語句(insert/update/deeldte)，會經(jīng)過Server層的處理生成執(zhí)行計劃，然后調(diào)用存儲引擎層接口去讀寫數(shù)據(jù)，用戶沒有觸發(fā)COMMIT或ROLLBACK之前，這些Uncommitted Data的數(shù)據(jù)稱為前鏡像(Post Image)，數(shù)據(jù)存儲在Undo Log，以便用戶回滾或者MySQL Server Crash的恢復，同時Undo Log是循環(huán)覆蓋使用。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. #開啟事務，更新賬戶余額，不提交事務。 
    2.   
  
  
  
  2. mysql> start transaction; 
    3.   
  
  
  
  3. mysql> update account set balance = 100000 where account_no = 10001; 
    4.   
  
  
  
  4. Rows matched: 1  Changed: 1  Warnings: 0 
    5.

上面在RR隔離級別下，開啟一個事務，做update更新操作，不提交事務，通過show engine innodb status\G查看undo情況。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. Trx id counter 8407258 
    2.   
  
  
  
  2. Purge done for trx's n:o < 8407257 undo n:o < 0 state: running but idle 
    3.   
  
  
  
  3. History list length 33 
    4.   
  
  
  
  4. ...... 
    5.   
  
  
  
  5. ---TRANSACTION 8407257, ACTIVE 154 sec 
    6.   
  
  
  
  6. 2 lock struct(s), heap size 1136, 4 row lock(s), undo log entries 1 
    7.

Trx id counter 8407258當前的事務ID，undo log entries 1使用了的undo entries，ACTIVE 154 sec事務持續(xù)時間，事務commit后，會調(diào)用Purge Thread把undo中的老數(shù)據(jù)清理掉。

回滾記錄

insert：反向操作是delete，undo里記錄的是delete相關信息，存儲主鍵id即可。

udpate：反向操作是update，undo里記錄的是update前的相關數(shù)據(jù)。

delete：反向操作是insert，undo里記錄的是insert values(…..)相關的記錄。

從這里可以知道，更新操作占用Undo空間的大小排序如下：

delete > update > insert

所以不建議物理delete刪除數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生大量的Undo Log，Undo快被寫滿就會發(fā)生切換，在次期間會有大量的IO操作，導致業(yè)務的DML都會變得很慢。

一致性讀

MySQL官方文檔對一致讀的描述：

讀操作基于某個時間點得到一份那時的數(shù)據(jù)快照，而不管同時其他事務對數(shù)據(jù)的修改。查詢過程中，若其他事務修改了數(shù)據(jù)，那么就需要從 undo log中獲取舊版本的數(shù)據(jù)。這么做可以有效避免因為需要加鎖(來阻止其他事務同時對這些數(shù)據(jù)的修改)而導致事務并行度下降的問題。

在可重復讀(REPEATABLE READ，簡稱RR)隔離級別下，數(shù)據(jù)快照版本是在第一個讀請求發(fā)起時創(chuàng)建的。在讀已提交(READ COMMITTED，簡稱RC)隔離級別下，則是在每次讀請求時都會重新創(chuàng)建一份快照。

一致性讀是InnoDB在RR和RC下處理SELECT請求的默認模式。由于一致性讀不會在它請求的表上加鎖，其他事務可以同時修改數(shù)據(jù)不受影響。

一行數(shù)據(jù)有多個版本，每個數(shù)據(jù)版本有自己的trx_id，每個事務或者查詢通過trx_id生成自己的一致性視圖。普通select語句是一致性讀，一致性讀會根據(jù)row trx_id和一致性視圖確定數(shù)據(jù)版本的可見性，圖中UR1，UR2就是undo，存儲在Undo Log中，每次查詢時根據(jù)當前data page和 Undo page構造出一致性數(shù)據(jù)頁(Consistent Read Page)，通過讀取CR Page將數(shù)據(jù)返回給用戶。

總結

介紹了MySQL事務，快照，MVCC以及Undo，雖然這些東西比較抽象，但是搞清楚這些東西是一件很有意義的事，能夠幫助我們更好的理解和使用MySQL，也可以把這種設計思想用在自己業(yè)務系統(tǒng)中。其中Undo在MySQL中的作用很重要，它是MVCC能夠快速創(chuàng)建快照基礎，支撐系統(tǒng)的高并發(fā)。

好啦，以上就是本期的全部內(nèi)容了，我是敖丙，你知道的越多，你不知道的越多，我們下期見。


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