亚信安慧 AntDB-T 数据库内核之 MVCC 机制

本文主要介绍 AntDB 数据库内核中的一个很重要的机制——MVCC 机制。

MVCC 简介

MVCC（多版本并发控制）是 AntDB 数据库中实现事务隔离级别的一种机制。它允许多个事务同时对数据进行读写和修改操作，而不会相互干扰。在 MVCC 中，每个数据库事务在读取数据时会看到一个特定的版本，这使得事务之间可以同时进行读写操作，而不会相互冲突。每个事务可以操作自己的数据版本，从而实现了更高的并发性和更好的性能。

MVCC 的核心思想是，对于每个修改操作，不是直接在原始数据上进行修改，而是创建一个新的数据版本，并将修改操作应用于新版本。这样，其他事务仍然可以访问旧版本的数据，而不会受到正在进行的修改的影响。只有在事务提交时，新版本的数据才会替代旧版本，从而实现数据的一致性。

MVCC 实现原理

1、隐藏字段

了解 MVCC 之前，需要先介绍一下数据库内核中几个隐藏的字段，MVCC 机制通过这些隐藏的标记字段来协同实现。

• oid: 对象标识符，生成的值是全局唯一的，表、索引、视图都带有 oid

• ctid: 每条记录（称为一个 tuple）在表中的物理位置标识。

• xmin: 创建一条记录（tuple）时，记录此值为当前事务 ID。

• xmax: 创建 tuple 时，默认为 0，删除 tuple 时，记录此值为当前事务 ID。

• cmin/cmax: 标识在同一个事务中多个语句命令的序列值，从 0 开始，用于同一个事务中实现版本可见性判断

2、数据版本

在 AntDB 中，每个数据项都包含一个唯一的版本号，称为 xmin。每个数据项还包含一个删除版本号，称为 xmax。这些版本号用于记录行版本的创建和删除事务。当一个事务读取或修改数据时，它将在内存中创建一个新的数据版本，并分配一个唯一的版本号。这个版本号将与事务 ID 相关联，用于跟踪事务对数据的修改。

3、事务状态

每个事务都有一个唯一的事务 ID，称为 xid。事务 ID 用于标识事务的状态。当事务开始时，它将分配一个唯一的事务 ID，并将其记录在事务状态日志文件中，事务状态日志文件用于记录事务的状态信息。通过事务状态日志文件，AntDB 可以跟踪每个事务的状态，并根据事务 ID 选择适当的数据版本。

4、并发控制

在并发控制中，AntDB 使用了一种称为“读-写偏斜”的技术。这种技术的基本思想是：当一个事务正在修改数据时，其他事务不能同时读取或修改该数据。通过限制并发事务对数据的访问，AntDB 可以避免读写冲突。

当一个事务需要读取数据时，AntDB 会检查该数据的最新版本号（即 xmax）。如果最新版本号等于当前事务的事务 ID，则表示该数据正在被修改，当前事务不能读取该数据。如果最新版本号小于当前事务的事务 ID，则表示该数据已经提交，当前事务可以读取该数据。如果最新版本号介于两个事务 ID 之间，则表示该数据处于中间状态，当前事务需要等待该数据变为可用状态后再进行读取。

当一个事务需要修改数据时，AntDB 会将新数据版本写入磁盘，并将新版本的事务 ID 更新到事务状态日志文件中。其他事务在读取数据时，将检查该数据的事务 ID 是否与它们的事务 ID 相同。如果相同，则读取该版本的数据；如果不同，则读取更高版本的数据。通过这种方式，AntDB 实现了并发控制，避免了读写冲突。

5、可见性判定

在并发控制中，可见性判定是一个重要的环节。它用于确定一个事务能否看到另一个事务提交的数据。在 AntDB 中，可见性判定是通过检查事务 ID 来实现的。如果一个事务的提交顺序在另一个事务之后，那么前一个事务就可以看到后一个事务提交的数据。反之，如果一个事务的提交顺序在前一个事务之前，那么前一个事务就看不到后一个事务提交的数据。通过这种方式，AntDB 实现了可见性的判定。

MVCC 的优点

• 并发优化

读写不会相互阻塞，写操作并没有堵塞其他事务的读，在写事务未提交前，读取的都是之前的版本，提高了并发的访问效率。

• 快速回滚

事务可以快速回滚，操作后的 tuple 都带有当前事务 ID，直接标记事务状态日志文件中对应事务的状态就可达到回滚的目的。

MVCC 的缺点

• 索引维护消耗

当对表执行 UPDATE 查询时，数据库还必须更新该表的所有索引以将条目添加到新版本。这些索引更新增加了内存压力和磁盘 I/O，特别是对于具有大量索引的表，随着表中索引数量的增加，更新元组时产生的开销也会增加。

• 事务回卷问题

事务 ID 回卷问题会影响到事务的并发访问和提交顺序，可能会导致死锁和幻像读等问题。具体来说，当新的事务 ID 回卷到旧的事务 ID 时，可能会导致旧的事务无法正常提交，因为新的事务会覆盖旧的事务的数据版本。

• 垃圾数据问题

根据 MVCC 机制，更新和删除的记录都不会被实际删除，操作频繁的表会积累大量的过期数据，占用磁盘空间，当扫描查询数据时，需要更多的 IO，降低查询效率。但是可以通过 vacuum 命令操作来清理过期的数据。

小结

在本文中，我们详细介绍了 MVCC（多版本并发控制）机制的工作原理、优点和缺点，以及它对数据库事务和并发访问的影响。MVCC 是一种强大的并发控制机制，它允许多个事务同时进行读写操作，提高了数据库的并发性和性能，并解决了传统锁定机制可能带来的性能问题和并发冲突。

然而，它也存在一些缺点，所以在使用时需要注意优化。