PostgreSQL技术内幕11:PostgreSQL事务原理解析-MVCC

0.简介

本文主要介绍在事务模块中MVCC(多版本并发控制）常见的实现方式，优缺点以及PG事务模块中MVCC（多版本并发控制）的实现。

1.MVCC介绍

MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）是一种用于数据库管理系统中的并发控制的方法。在传统的并发控制中，常用的简单方式是通过加锁来保证某一时刻数据只被一个事务修改，但这种方式可能会带来并发度的下降，尤其在高并发场景下，很可能导致性能瓶颈。MVCC主要通过维护数据的多个版本来解决传统锁机制的一些局限性，每个事务可以看到一个特定版本，从而使得读写操作可以互不干扰地执行，其核心在于，对于每个修改，不直接在原始数据上修改，而是创建一个新的数据版本来做修改，其他事务依然可以访问旧的数据，以此来提高并发度。当然MVCC也有其局限性，比如在高并发场景下可能因为多个版本导致占用较高内存。

2.MVCC常见的实现方式

MVCC常见的实现方式有两种：

1）修改旧数据前备份，在写新的数据时，把旧的数据备份到单独的一块空间，其他事务读取数据时，可以在备份空间中获取，比如MySQL innodb引擎的回滚段。

2）新数据不直接修改，而是采用插入的方式。

以上两种方式，功能上都能实现MVCC，都需要占用一定的空间，两者相比较，二的事务回滚更为方便，不会出现备份空间用尽的问题；一的话清理上会更为简单，不会导致数据扫描使得读数据增加。PG采用的是二，即采用插入方式实现的MVCC。

3.PG的MVCC实现

3.1 可见性判断

MVCC的实现，首先要有版本的概念，下面来看PG中的定义，然后以一个实际的例子来分析可见性的判断，定义如下：

typedef struct HeapTupleFields
{
  TransactionId t_xmin;    /* inserting xact ID */
  TransactionId t_xmax;    /* deleting or locking xact ID */

  union
  {
    CommandId  t_cid;    /* inserting or deleting command ID, or both */
    TransactionId t_xvac;  /* old-style VACUUM FULL xact ID */
  }      t_field3;
} HeapTupleFields;

struct HeapTupleHeaderData
{
  union
  {
    HeapTupleFields t_heap;
    DatumTupleFields t_datum;
  }      t_choice;

  ItemPointerData t_ctid;    /* current TID of this or newer tuple (or a
                 * speculative insertion token) */
  ....
}

可以看到，在上面代码结构中，每个元组头部存储事务的t_xmin(数据插入的事务id），t_xmax(数据删除或更新的事务id）如果为0则表示还未被删除和更新，这两个值一旦被设计就不会再次变化。

下面通过一个例子来看一个更新操作的修改以及可见性的判断。

Update t set a=6;

上述描述了向当前表插入了一条数据的过程，初始a=2,b=2的记录是由事务id为10的事务插入，xmax为0即还没被删除或更新；然后执行update语句，将a的值设置为6，xmax的值更新为11（表示由id为11的事务删除），同时新增一条记录（不在原记录修改），此时虽然有两条数据，但其实应该只有一条，所以需要根据事务的快照和提交的记录来进行判断，也就是可见性的判断。

在PG中，是用snapshot来获取那些事务正在执行，通过snapshot来区分事务是正在执行还是已经完成了，如果事务尚未完成，那么事务的更新和写入对其他事务来说是不可见的。snapshot数据结构如下：

typedef struct SnapshotData
{
  SnapshotSatisfiesFunc satisfies;  /* tuple test function */
  TransactionId xmin;      /* all XID < xmin are visible to me */
  TransactionId xmax;      /* all XID >= xmax are invisible to me */

  TransactionId *xip;
  uint32    xcnt;      /* # of xact ids in xip[] */

  TransactionId *subxip;
  int32    subxcnt;    /* # of xact ids in subxip[] */
  bool    suboverflowed;  /* has the subxip array overflowed? */

  bool    takenDuringRecovery;  /* recovery-shaped snapshot? */
  bool    copied;      /* false if it's a static snapshot */

  CommandId  curcid;      /* in my xact, CID < curcid are visible */

  uint32    speculativeToken;

  uint32    active_count;  /* refcount on ActiveSnapshot stack */
  uint32    regd_count;    /* refcount on RegisteredSnapshots */
  pairingheap_node ph_node;  /* link in the RegisteredSnapshots heap */

  TimestampTz whenTaken;    /* timestamp when snapshot was taken */
  XLogRecPtr  lsn;      /* position in the WAL stream when taken */
} SnapshotData;

其中所有XID<xmin（已完成的）的事务都可见，所有XID>xmax的事务都不可见，而介于xmin和xmax之间的事务可能已完成也可能进行中，所以需要一个数组来存储（xip），如果在xmin和xmax之间的事务id在这个数组被发现，说明事务正在进行且尚未完成，不可见。

获取数据时，会先根据snapshot来判断事务是否已完成，如果未完成，则不可见，对于已完成的需要判断时提交还是取消，查询clog来进行判断。这里还有个性能优化，就是使用tuple中标志位来进行判断，减少clog查询。

3.2 提交/取消

在PG中，一个事务最终状态可能有两种：Commit/Abort。

1）Commit：提交时会写WAL和CLOG，提交后对于其他事务可见。

2）Abort: abort时会写WAL和CLOG，abort后对于其他事务不可见。