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說(shuō)說(shuō)一致性讀實(shí)現(xiàn)原理？

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這個(gè)問(wèn)題是我當(dāng)初在面天貓的時(shí)候，2面的面試官問(wèn)我的，我之前已經(jīng)寫(xiě)過(guò)mvcc的文章了，但是在看到我筆記的里的這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候我準(zhǔn)備單獨(dú)理一遍，所以就有了這個(gè)文章。

現(xiàn)在，主流關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品基本都實(shí)現(xiàn)了MVCC的特性，快照在MVCC中起著重要的作用，代表某一時(shí)刻數(shù)據(jù)的版本，它是實(shí)現(xiàn)一致性讀的基礎(chǔ)。在更新操作沒(méi)提交前，數(shù)據(jù)的前鏡像存儲(chǔ)在Undo中，利用Undo可以實(shí)現(xiàn)一致性讀，事務(wù)回滾以及異?；謴?fù)等操作，下面就聊聊MySQL事務(wù)，MVCC，快照及一致讀的原理與實(shí)現(xiàn)。

MySQL中的事務(wù)

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

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，比較關(guān)心長(zhǎng)事務(wù)，即包含DML語(yǔ)句多的工作單元，事務(wù)太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致一些錯(cuò)誤，例如可能由于事務(wù)數(shù)據(jù)包大小超過(guò)參數(shù)max_allowed_packet設(shè)置會(huì)導(dǎo)致程序報(bào)錯(cuò)，也可能有事務(wù)中某個(gè)SQL對(duì)應(yīng)接口報(bào)錯(cuò)，導(dǎo)致整個(gè)服務(wù)調(diào)用失敗，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮避免長(zhǎng)事務(wù)帶來(lái)的業(yè)務(wù)影響。

事務(wù)的ACID

image-20201114221841801

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

事務(wù)的并發(fā)問(wèn)題

  • 臟讀：事務(wù)A讀取了事務(wù)B未提交的數(shù)據(jù)。
  • 不可重復(fù)度：事務(wù)A多次讀取同一份數(shù)據(jù)，事務(wù)B在此過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)修改并提交，導(dǎo)致事務(wù)A多次讀取同一份數(shù)據(jù)的結(jié)果不一致。
  • 幻讀：事務(wù)A修改數(shù)據(jù)的同時(shí)，事務(wù)B插入了一條數(shù)據(jù)，當(dāng)事務(wù)A提交后發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)沒(méi)被修改，產(chǎn)生了幻覺(jué)。

不可重復(fù)讀側(cè)重于update操作，幻讀側(cè)重于insert或delete。解決不可重復(fù)讀的問(wèn)題只需鎖住滿(mǎn)足條件的行，解決幻讀需要鎖表。

事務(wù)隔離級(jí)別

事務(wù)隔離是數(shù)據(jù)庫(kù)處理的基礎(chǔ)之一，隔離級(jí)別在多個(gè)事務(wù)同時(shí)進(jìn)行更改和執(zhí)行查詢(xún)時(shí)，對(duì)性能與結(jié)果的可靠性、一致性和可再現(xiàn)性之間的平衡進(jìn)行調(diào)整，InnoDB利用不同的鎖策略支持不同隔離級(jí)別。MySQL中有四種隔離級(jí)別，分別是讀未提交(READ UNCOMMITTED)，讀已提交(READ COMMITTED)，可重復(fù)讀(REPEATABLE READ)以及串行化(SERIALIZABLE)。

隔離級(jí)別臟讀不可重復(fù)讀幻讀
READ UNCOMMITTEDYesYesYes
READ COMMITTEDNoYesYes
REPEATABLE READNoNoYes
SERIALIZABLENoNoNo

InnoDB并發(fā)控制

MVCC特性

InnonDB是一個(gè)支持行鎖的存儲(chǔ)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(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)上的鎖釋放，而是讀取行的一個(gè)快照，該方法是通過(guò)InnonDB MVCC特性實(shí)現(xiàn)的。

MVCC是Multi-Version Concurrency Control的簡(jiǎn)稱(chēng)，即多版本并發(fā)控制，作用是讓事務(wù)在并行發(fā)生時(shí)，在一定隔離級(jí)別前提下，可以保證在某個(gè)事務(wù)中能實(shí)現(xiàn)一致性讀，也就是該事務(wù)啟動(dòng)時(shí)根據(jù)某個(gè)條件讀取到的數(shù)據(jù)，直到事務(wù)結(jié)束時(shí)，再次執(zhí)行相同條件，還是讀到同一份數(shù)據(jù)，不會(huì)發(fā)生變化。

MVCC的好處

讀不加鎖，讀寫(xiě)不沖突。在讀多寫(xiě)少的OLTP應(yīng)用中，讀寫(xiě)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(dāng)前讀。

MVCC快照

MVCC內(nèi)部使用的一致性讀快照稱(chēng)為Read View，在不同的隔離級(jí)別下，事務(wù)啟動(dòng)時(shí)或者SQL語(yǔ)句開(kāi)始時(shí)，看到的數(shù)據(jù)快照版本可能也不同，在RR、RC隔離級(jí)別下會(huì)用到 Read view。

InnoDB 里面每個(gè)事務(wù)有一個(gè)唯一的事務(wù)ID，稱(chēng)為T(mén)ransaction ID，它是在事務(wù)開(kāi)始的時(shí)候向InnoDB的事務(wù)系統(tǒng)申請(qǐng)的，是按申請(qǐng)順序嚴(yán)格遞增的。而每行數(shù)據(jù)都有多個(gè)版本。每次事務(wù)更新數(shù)據(jù)的時(shí)候，都會(huì)生成一個(gè)新的數(shù)據(jù)版本Read View，并且把Transaction ID賦值給這個(gè)數(shù)據(jù)版本的事務(wù) ID，標(biāo)記為 row_trx_id。同時(shí)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(shí)可能有多個(gè)數(shù)據(jù)版本 ，每個(gè)版本有自己的 row_trx_id。

InnoDB行格式

目前InnoDB默認(rèn)的行格式Dynamic，是Compat格式的增強(qiáng)版，記錄頭結(jié)構(gòu)信息占用5個(gè)字節(jié)，事務(wù)ID和回滾指針?lè)謩e占用6和7個(gè)字節(jié)，行格式如下：

記錄頭結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目大?。╞it）描述
()1Unknown
()1Unknown
deleted_flag1數(shù)據(jù)行刪除標(biāo)記
min_rec_flag1=1如果該記錄被預(yù)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(lèi)型；000：普通，001：B+樹(shù)葉子節(jié)點(diǎn)，010：偽列Infinum，011：Supernum，1xx：保留
next_record16page中下一條記錄的相對(duì)位置
Transaction ID48記錄中的事務(wù)ID，固定6個(gè)字節(jié)
Rollback Pointer56回滾指針，固定7個(gè)字節(jié)

數(shù)據(jù)行存儲(chǔ)

 
 
 
 
      
  
  
  
  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(rèn)行格式為Dynamic 
    6.   
  
  
  
  6.            Rows: 0          #行數(shù) 
    7.   
  
  
  
  7.  Avg_row_length: 0          #平均行長(zhǎng)度 
    8.   
  
  
  
  8.     Data_length: 16384      #初始化段大小16K 
    9.   
  
  
  
  9.      
    10.   
  
  
  
  10. #開(kāi)啟事務(wù)，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(wù)ID 
    14.   
  
  
  
  14. mysql> select trx_id from information_schema.innodb_trx\G 
    15.   
  
  
  
  15. trx_id: 8407246  #事務(wù)ID 
    16.

分析表的行頭信息以及隱藏的事務(wù)ID和回滾指針。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. # 用Linux下的工具h(yuǎn)exdump進(jìn)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(zhǎng)字段長(zhǎng)度，只有一個(gè)varchar(20)沒(méi)有超過(guò)256字節(jié)，且沒(méi)有NULL值。
  • 00代表NULL標(biāo)志位，第一行沒(méi)有為NULL數(shù)據(jù)。
  • 字符a的十六進(jìn)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(gè)字節(jié)就是Transaction ID，轉(zhuǎn)換成十進(jìn)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(gè)字節(jié)是Rollback Pointer。
  • 1c 80 00 00 01 是5個(gè)字節(jié)，代表Record Header信息。

隔離級(jí)別與快照

REPEATABLE READ

默認(rèn)的隔離級(jí)別，一致讀快照(Read View)是在第一次SELECT發(fā)起時(shí)建立，之后不會(huì)再發(fā)生變化。如果在同一個(gè)事務(wù)中發(fā)出多個(gè)非 鎖定SELECT語(yǔ)句，那么這些SELECT語(yǔ)句在事務(wù)提交前返回的結(jié)果是一致的。

在RR下快照Read View不是事務(wù)發(fā)起時(shí)創(chuàng)建，而是在第一個(gè)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(huì)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(huì)存在不可重復(fù)讀、幻讀 現(xiàn)象。

Undo回滾段

當(dāng)開(kāi)啟事務(wù)執(zhí)行更新語(yǔ)句(insert/update/deeldte)，會(huì)經(jīng)過(guò)Server層的處理生成執(zhí)行計(jì)劃，然后調(diào)用存儲(chǔ)引擎層接口去讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，用戶(hù)沒(méi)有觸發(fā)COMMIT或ROLLBACK之前，這些Uncommitted Data的數(shù)據(jù)稱(chēng)為前鏡像(Post Image)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Undo Log，以便用戶(hù)回滾或者M(jìn)ySQL Server Crash的恢復(fù)，同時(shí)Undo Log是循環(huán)覆蓋使用。

 
 
 
 
      
  
  
  
  1. #開(kāi)啟事務(wù)，更新賬戶(hù)余額，不提交事務(wù)。 
    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(jí)別下，開(kāi)啟一個(gè)事務(wù)，做update更新操作，不提交事務(wù)，通過(guò)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(dāng)前的事務(wù)ID，undo log entries 1使用了的undo entries，ACTIVE 154 sec事務(wù)持續(xù)時(shí)間，事務(wù)commit后，會(huì)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(guān)信息，存儲(chǔ)主鍵id即可。

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

delete：反向操作是insert，undo里記錄的是insert values(…..)相關(guān)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(huì)產(chǎn)生大量的Undo Log，Undo快被寫(xiě)滿(mǎn)就會(huì)發(fā)生切換，在次期間會(huì)有大量的IO操作，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的DML都會(huì)變得很慢。

一致性讀

MySQL官方文檔對(duì)一致讀的描述：

讀操作基于某個(gè)時(shí)間點(diǎn)得到一份那時(shí)的數(shù)據(jù)快照，而不管同時(shí)其他事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的修改。查詢(xún)過(guò)程中，若其他事務(wù)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?yàn)樾枰渔i(來(lái)阻止其他事務(wù)同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)的修改)而導(dǎo)致事務(wù)并行度下降的問(wèn)題。

在可重復(fù)讀(REPEATABLE READ，簡(jiǎn)稱(chēng)RR)隔離級(jí)別下，數(shù)據(jù)快照版本是在第一個(gè)讀請(qǐng)求發(fā)起時(shí)創(chuàng)建的。在讀已提交(READ COMMITTED，簡(jiǎn)稱(chēng)RC)隔離級(jí)別下，則是在每次讀請(qǐng)求時(shí)都會(huì)重新創(chuàng)建一份快照。

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

一行數(shù)據(jù)有多個(gè)版本，每個(gè)數(shù)據(jù)版本有自己的trx_id，每個(gè)事務(wù)或者查詢(xún)通過(guò)trx_id生成自己的一致性視圖。普通select語(yǔ)句是一致性讀，一致性讀會(huì)根據(jù)row trx_id和一致性視圖確定數(shù)據(jù)版本的可見(jiàn)性，圖中UR1，UR2就是undo，存儲(chǔ)在Undo Log中，每次查詢(xún)時(shí)根據(jù)當(dāng)前data page和 Undo page構(gòu)造出一致性數(shù)據(jù)頁(yè)(Consistent Read Page)，通過(guò)讀取CR Page將數(shù)據(jù)返回給用戶(hù)。

總結(jié)

介紹了MySQL事務(wù)，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(shè)計(jì)思想用在自己業(yè)務(wù)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(chǔ)，支撐系統(tǒng)的高并發(fā)。

好啦，以上就是本期的全部?jī)?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(jiàn)。


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