MySQL事务原理和MVCC多版本并发控制

1、MySQL事务

事务就是通过一组数据库操作，保证数据的完整性和一致性，即使在多用户并发操作或系统崩溃的情况下，也能确保数据库的可靠性。

事务可以看作是一个不可分割的工作单元，所有的操作要么全部执行成功，要么全部回滚。

1.1、事务的四大特性（ACID）

原子性 (Atomicity)：事务中的操作是不可分割的原子单元，事务中的操作要么全部执行，要么全部回滚。

一致性 (Consistency)：执行的结果必须使数据从一个一致状态转变到另一个一致状态。无论事务成功与否，数据库的数据完整性约束不会被破坏。

隔离性 (Isolation)：多个事务并发执行时，一个事务的操作对其他事务是隔离的。未提交的事务的中间状态对其他事务是不可见的，事务的隔离性可以通过多种隔离级别来控制。

持久性 (Durability)：一旦事务提交，其对数据库的更改是永久性的。即使系统崩溃，数据也不会丢失。

1.2、事务的组成

1、Begin: 明确开始一个事务；
2、操作语句: SQL 操作，如 INSERT、UPDATE、DELETE 等；
3、Commit: 提交事务，将事务中的所有操作永久保存到数据库；
4、Rollback: 回滚事务，撤销该事务中所有已执行的操作，恢复到事务开始之前的状态。

1.3、事务的实现机制

Redo Log(重做日志)

InnoDB 存储引擎通过 Redo Log 保证事务的持久性。事务在修改数据时，首先将日志写入到 Redo Log 中，再异步将数据写入到磁盘中。保证事务提交后，数据库即使崩溃，仍然可以通过Redo Log恢复到提交的状态。

Undo Log(回滚日志)

用于保存事务修改前的数据，如果事务失败或者执行了回滚操作，通过 Undo Log 恢复数据到事务执行之前的状态。支持 MVCC(多版本并发控制)机制，允许读操作在并发事务下读取历史版本的数据，避免读取未提交的数据。

锁机制

InnoDB 使用不同类型的锁实现事务的隔离性。

行锁（Record Lock）：锁定某一行记录，防止其他事务对该行进行修改。

间隙锁（Gap Lock）：锁定索引记录之间的“间隙”，防止其他事务在这个间隙中插入数据。

临键锁（Next-Key Lock）：锁定索引记录及其前面的间隙，防止幻读问题。

事务隔离级别

InnoDB引擎中定义了四种隔离级别，级别越高事务隔离性越好，但性能越低，隔离性是由MySQL的各种锁和MVCC机制实现。

1.4、并发问题

脏读 (Dirty Read)

脏读是一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据，后者可能会回滚，导致前一个事务读取到了无效数据。

不可重复读 (Non-repeatable Read)

不可重复读是因其他事务修改了数据，在同一事务中多次读取同一数据，每次读取的结果可能不同。

幻读 (Phantom Read)

幻读是一个事务读取范围内的数据时，另一个事务插入了新数据，导致前一个事务在读取相同范围时，发现了“幻影”记录。

1.5、大事务的影响

并发情况下，数据库连接池容易被撑爆；锁定太多数据，造成大量的阻塞和锁超时；

执行时间长，容易造成主从延迟；回滚所需的时间比较长；undo log膨胀；容易导致死锁。

1.6、事务优化实践原则

将查询等数据准备操作放到事务外，不同隔离级别影响不一样：读已提交（RC）没影响，可重复读（RR）取到数据可能会不一样；

更新等涉及加锁的操作尽可能放在事务靠后的位置，先insert再update ，因update可能会影响到其他操作，需等待事务提交；

事务中避免一次性处理太多数据，可以拆分成多个事务分次处理，能异步处理的尽量异步处理；

事务中避免远程调用，远程调用要设置超时，防止事务等待时间太久。

2、MVCC多版本并发控制

MVCC，全称Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。用于在并发环境下实现事务的隔离性和一致性，通过维护数据的多个版本允许并发读写操作，不需要加锁，从而提高数据库的性能和可扩展性。

2.1、MVCC 的基本原理

MVCC 通过保存数据的多个版本（版本快照）实现数据库的并发控制。每当对数据进行更新操作时，数据库不会直接覆盖原有数据，而是为数据创建一个新的版本。通过这种方式，不同的事务可以在不同时间点读取到相应版本的数据，而不需要加锁。

MVCC 的实现依赖于两个核心机制：

（1）快照读：读取数据时，事务会读取数据的一个历史版本（快照），而非直接读取当前最新的版本。

（2）版本链：在对某一行数据进行更新时，数据库不会直接覆盖旧版本，而是创建一个新版本，并将该版本和旧版本通过指针链接起来，形成版本链。

2.2、MVCC 的工作原理

1、Undolog多版本链

MVCC通过为每行数据项维护多个版本实现并发控制，当一个事务对数据进行修改时，它不会直接覆盖现有的数据，而是创建一个新的版本，这些不同数据版本形成了单向版本链。

2、Readview视图组成

readview视图由当前活跃的事务ID数组，和其他3部分组成，分别是最小事务min_ids，最大事务max_id，当前事务creator_trx_id。

3、Readview创建时机

事务开始时，ReadView不会立即创建，而是等到第一次读取数据时。不同隔离级别，创建时机不一样。

读已提交（RC）隔离级别：每次读取数据时都会创建新的 ReadView，保证事务读取到的是其他事务提交的最新数据。

可重复读（RR）隔离级别：  ReadView 只会在事务第一次读取数据时创建，并在整个事务中保持不变，保证事务的快照一致性。

4、可见性规则

当版本的事务ID小于min_ids时，该版本在Read View创建之前已经提交，对当前事务可见。

当版本的事务ID大于max_id时，该版本在Read View创建之后生成，对当前事务不可见。

当版本的事务ID在min_ids和max_id之间，如果版本的事务ID不在活跃事务列表中，该版本已经提交，对当前事务可见；如果版本的事务ID在活跃事务列表中，该版本尚未提交，对当前事务不可见。

如果是当前事务creator_trx_id操作的数据，对当前事务可见。

5、快照读与当前读

查询select语句属于快照读；增删改类语句属于当前读，读的是数据库已经提交的数据。

6、数据如何可见

从undolog版本链的头部开始遍历，根据数据版本的事务ID，结合readview以及可见性的规则，可以判断哪些数据版本对当前事务是可见的。

3、我的公众号

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原文始发于微信公众号（大象只为你）：MySQL事务原理和MVCC多版本并发控制