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MySQL多版本併發控制機制(MVCC)-源碼淺析

MySQL多版本併發控制機制(MVCC)-源碼淺析

前言

作為一個數據庫愛好者,自己動手寫過簡單的SQL解析器以及存儲引擎,但感覺還是不夠過癮。<<事務處理-概念與技術>>誠然講的非常透徹,但只能提綱挈領,不能讓你玩轉某個真正的數據庫。感謝cmake,能夠讓我在mac上用xcode去debug MySQL,從而能去領略它的各種實現細節。
筆者一直對數據庫的隔離性很好奇,此篇博客就是我debug MySQL過程中的偶有所得。
(注:本文的MySQL採用的是MySQL-5.6.35版本)

MVCC(多版本併發控制機制)

隔離性也可以被稱作併發控制、可串行化等。談到併發控制首先想到的就是鎖,MySQL通過使用兩階段鎖的方式實現了更新的可串行化,同時為了加速查詢性能,採用了MVCC(Multi Version Concurrency Control)的機制,使得不用鎖也可以獲取一致性的版本。

Repeatable Read

MySQL的通過MVCC以及(Next-Key Lock)實現了可重複讀(Repeatable Read),其思想(MVCC)就是記錄數據的版本變遷,通過精巧的選擇不同數據的版本從而能夠對用戶呈現一致的結果。如下圖所示:

上圖中,(A=50|B=50)的初始版本為1。
1.事務t1在select A時候看到的版本為1,即A=50
2.事務t2對A和B的修改將版本升級為2,即A=0,B=100
3.事務t1再此select B的時候看到的版本還是1, 即B=50
這樣就隔離了版本的影響,A+B始終為100。

Read Commit

而如果不通過版本控制機制,而是讀到最近提交的結果的話,則隔離級別是read commit,如下圖所示:

在這種情況下,就需要使用鎖機制(例如select for update)將此A,B記錄鎖住,從而獲得正確的一致結果,如下圖所示:

MVCC的優勢

當我們要對一些數據做一些只讀操作來檢查一致性,例如檢查賬務是否對齊的操作時候,並不希望加上對性能損耗很大的鎖。這時候MVCC的一致性版本就有很大的優勢了。

MVCC(實現機制)

本節就開始談談MVCC的實現機制,注意MVCC僅僅在純select時有效(不包括select for update,lock in share mode等加鎖操作,以及update\insert等)。

select運行棧

首先我們追蹤一下一條普通的查詢sql在mysql源碼中的運行過程,sql為(select * from test);

其運行棧為:

handle_one_connection  MySQL的網絡模型是one request one thread
 |-do_handle_one_connection
	|-do_command
		|-dispatch_command
			|-mysql_parse	解析SQL
				|-mysql_execute_command
					|-execute_sqlcom_select	執行select語句
						|-handle_select
							...一堆parse join 等的操作,當前並不關心
							|-*tab->read_record.read_record 讀取記錄

由於mysql默認隔離級別是repeatable_read(RR),所以read_record重載為
rr_sequential(當前我們並不關心select通過index掃描出row之後再通過condition過濾的過程)。繼續追蹤:

read_record
 |-rr_sequential
	|-ha_rnd_next
		|-ha_innobase::rnd_next 這邊就已經到了innodb引擎了
			|-general_fetch
				|-row_search_for_mysql
					|-lock_clust_rec_cons_read_sees 這邊就是判斷並選擇版本的地方

讓我們看下該函數內部:

bool lock_clust_rec_cons_read_sees(const rec_t* rec /*由innodb掃描出來的一行*/,....){
	...
	// 從當前掃描的行中獲取其最後修改的版本trx_id(事務id)
	trx_id = row_get_rec_trx_id(rec, index, offsets);
	// 通過參數(一致性快照視圖和事務id)決定看到的行快照
	return(read_view_sees_trx_id(view, trx_id));
}

read_view的創建過程

我們先關注一致性視圖的創建過程,我們先看下read_view結構:

struct read_view_t{
	// 由於是逆序排列,所以low/up有所顛倒
	// 能看到當前行版本的高水位標識,>= low_limit_id皆不能看見
	trx_id_t	low_limit_id;
	// 能看到當前行版本的低水位標識,< up_limit_id皆能看見
	trx_id_t	up_limit_id;
	// 當前活躍事務(即未提交的事務)的數量
	ulint		n_trx_ids;
	// 以逆序排列的當前獲取活躍事務id的數組
	// 其up_limit_id<tx_id<low_limit_id
	trx_id_t*	trx_ids;	
	// 創建當前視圖的事務id
	trx_id_t	creator_trx_id;
	// 事務系統中的一致性視圖鏈表
	UT_LIST_NODE_T(read_view_t) view_list;
};

然後通過debug,發現創建read_view結構也是在上述的rr_sequential中操作的,繼續跟蹤調用棧:

rr_sequential
 |-ha_rnd_next
 	|-rnd_next
 		|-index_first 在start_of_scan為true時候走當前分支index_first
 			|-index_read
 				|-row_search_for_mysql
 					|-trx_assign_read_view

我們看下row_search_for_mysql里的一個分支:

row_search_for_mysql:
// 這邊只有select不加鎖模式的時候才會創建一致性視圖
else if (prebuilt->select_lock_type == LOCK_NONE) {		// 創建一致性視圖
		trx_assign_read_view(trx);
		prebuilt->sql_stat_start = FALSE;
}

上面的註釋就是select for update(in share model)不會走MVCC的原因。讓我們進一步分析trx_assign_read_view函數:

trx_assign_read_view
 |-read_view_open_now
 	|-read_view_open_now_low

好了,終於到了創建read_view的主要階段,主要過程如下圖所示:

代碼過程為:

static read_view_t* read_view_open_now_low(trx_id_t	cr_trx_id,mem_heap_t*	heap)
{
	read_view_t*	view;
	// 當前事務系統中max_trx_id(即尚未被分配的trx_id)設置為low_limit_no
	view->low_limit_no = trx_sys->max_trx_id;
	view->low_limit_id = view->low_limit_no;
	// CreateView構造函數,會將非當前事務和已經在內存中提交的事務給剔除,即判斷條件為
	// trx->id != m_view->creator_trx_id&& !trx_state_eq(trx, TRX_STATE_COMMITTED_IN_MEMORY)的
	// 才加入當前視圖列表
	ut_list_map(trx_sys->rw_trx_list, &trx_t::trx_list, CreateView(view));
	if (view->n_trx_ids > 0) {
		// 將當前事務系統中的最小id設置為up_limit_id,因為是逆序排列
		view->up_limit_id = view->trx_ids[view->n_trx_ids - 1];
	} else {
		// 如果當前沒有非當前事務之外的活躍事務,則設置為low_limit_id
		view->up_limit_id = view->low_limit_id;
	}
	// 忽略purge事務,purge時,當前事務id是0
	if (cr_trx_id > 0) {
		read_view_add(view);
	}
	// 返回一致性視圖
	return(view);
}

行版本可見性:

由上面的lock_clust_rec_cons_read_sees可知,行版本可見性由read_view_sees_trx_id函數判斷:

/*********************************************************************//**
Checks if a read view sees the specified transaction.
@return	true if sees */
UNIV_INLINE
bool
read_view_sees_trx_id(
/*==================*/
	const read_view_t*	view,	/*!< in: read view */
	trx_id_t		trx_id)	/*!< in: trx id */
{
	if (trx_id < view->up_limit_id) {

		return(true);
	} else if (trx_id >= view->low_limit_id) {

		return(false);
	} else {
		ulint	lower = 0;
		ulint	upper = view->n_trx_ids - 1;

		ut_a(view->n_trx_ids > 0);

		do {
			ulint		mid	= (lower + upper) >> 1;
			trx_id_t	mid_id	= view->trx_ids[mid];

			if (mid_id == trx_id) {
				return(FALSE);
			} else if (mid_id < trx_id) {
				if (mid > 0) {
					upper = mid - 1;
				} else {
					break;
				}
			} else {
				lower = mid + 1;
			}
		} while (lower <= upper);
	}

	return(true);
}

其實上述函數就是一個二分法,read_view其實保存的是當前活躍事務的所有事務id,如果當前行版本對應修改的事務id不在當前活躍事務裏面的話,就返回true,表示當前版本可見,否則就是不可見,如下圖所示。

接上述lock_clust_rec_cons_read_sees的返回:

if (UNIV_LIKELY(srv_force_recovery < 5)
			    && !lock_clust_rec_cons_read_sees(
				    rec, index, offsets, trx->read_view)){
	// 當前處理的是當前版本不可見的情況
	// 通過undolog來返回到一致的可見版本
	err = row_sel_build_prev_vers_for_mysql(
					trx->read_view, clust_index,
					prebuilt, rec, &offsets, &heap,
					&old_vers, &mtr);			    
} else{
	// 可見,然後返回
}

undolog搜索可見版本的過程

我們現在考察一下row_sel_build_prev_vers_for_mysql函數:

row_sel_build_prev_vers_for_mysql
 |-row_vers_build_for_consistent_read

主要是調用了row_ver_build_for_consistent_read方法返回可見版本:

dberr_t row_vers_build_for_consistent_read(...)
{
	......
	for(;;){
		err = trx_undo_prev_version_build(rec, mtr,version,index,*offsets, heap,&prev_version);
		......
		trx_id = row_get_rec_trx_id(prev_version, index, *offsets);
		// 如果當前row版本符合一致性視圖,則返回
		if (read_view_sees_trx_id(view, trx_id)) {
			......
			break;
		}
		// 如果當前row版本不符合,則繼續回溯上一個版本(回到for循環的地方)
		version = prev_version;
	}
	......
}

整個過程如下圖所示:

至於undolog怎麼恢復出對應版本的row記錄就又是一個複雜的過程了,由於篇幅原因,在此略過不表。

read_view創建時機再討論

在創建一致性視圖的row_search_for_mysql的代碼中

// 只有非鎖模式的select才創建一致性視圖
else if (prebuilt->select_lock_type == LOCK_NONE) {		// 創建一致性視圖
		trx_assign_read_view(trx);
		prebuilt->sql_stat_start = FALSE;
}

trx_assign_read_view中由這麼一段代碼

// 一致性視圖在一個事務只創建一次
if (!trx->read_view) {
		trx->read_view = read_view_open_now(
			trx->id, trx->global_read_view_heap);
		trx->global_read_view = trx->read_view;
	}

所以綜合這兩段代碼,即在一個事務中,只有第一次運行select(不加鎖)的時候才會創建一致性視圖,如下圖所示:

筆者構造了此種場景模擬過,確實如此。

MVCC和鎖的同時作用導致的一些現象

MySQL是通過MVCC和二階段鎖(2PL)來兼顧性能和一致性的,但是由於MySQL僅僅在select時候才創建一致性視圖,而在update等加鎖操作的時候並不做如此操作,所以就會產生一些詭異的現象。如下圖所示:

如果理解了update不走一致性視圖(read_view),而select走一致性視圖(read_view),就可以很好解釋這個現象。
如下圖所示:

總結

MySQL為了兼顧性能和ACID使用了大量複雜的機制,2PL(兩階段鎖)和MVCC就是其實現的典型。幸好可以通過xcode等IDE進行方便的debug,這樣就可以非常精確加便捷的追蹤其各種機制的實現。希望這篇文章能夠幫助到喜歡研究MySQL源碼的讀者們。

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