阿里面试：说说一致性读实现原理？

2020-12-08 15:44:58 浏览数 (1)

这个问题是我当初在面天猫的时候，2面的面试官问我的，我之前已经写过mvcc的文章了，但是在看到我笔记的里的这个问题的时候我准备单独理一遍，所以就有了这个文章。

现在，主流关系型数据库产品基本都实现了MVCC的特性，快照在MVCC中起着重要的作用，代表某一时刻数据的版本，它是实现一致性读的基础。在更新操作没提交前，数据的前镜像存储在Undo中，利用Undo可以实现一致性读，事务回滚以及异常恢复等操作，下面就聊聊MySQL事务，MVCC，快照及一致读的原理与实现。

MySQL中的事务

事务在RDBMS系统中概念基本都是一样的，是由一组DML语句构的工作单元，要么全部成功，要么全部失败。

开发过程中，比较关心长事务，即包含DML语句多的工作单元，事务太长会导致一些错误，例如可能由于事务数据包大小超过参数max_allowed_packet设置会导致程序报错，也可能有事务中某个SQL对应接口报错，导致整个服务调用失败，在程序设计时，应该考虑避免长事务带来的业务影响。

事务的ACID

image-20201114221841801

原子性是事务隔离的基础，隔离性和持久性是手段，最终目的是为了保持数据的一致性。

事务的并发问题

  • 脏读：事务A读取了事务B未提交的数据。
  • 不可重复度：事务A多次读取同一份数据，事务B在此过程中对数据修改并提交，导致事务A多次读取同一份数据的结果不一致。
  • 幻读：事务A修改数据的同时，事务B插入了一条数据，当事务A提交后发现还有数据没被修改，产生了幻觉。 不可重复读侧重于update操作，幻读侧重于insert或delete。解决不可重复读的问题只需锁住满足条件的行，解决幻读需要锁表。

事务隔离级别

事务隔离是数据库处理的基础之一，隔离级别在多个事务同时进行更改和执行查询时，对性能与结果的可靠性、一致性和可再现性之间的平衡进行调整，InnoDB利用不同的锁策略支持不同隔离级别。MySQL中有四种隔离级别，分别是读未提交（READ UNCOMMITTED），读已提交（READ COMMITTED），可重复读（REPEATABLE READ）以及串行化（SERIALIZABLE）。

隔离级别

脏读

不可重复读

幻读

READ UNCOMMITTED

Yes

Yes

Yes

READ COMMITTED

No

Yes

Yes

REPEATABLE READ

No

No

Yes

SERIALIZABLE

No

No

No

InnoDB并发控制

MVCC特性

InnonDB是一个支持行锁的存储引擎，为了提供更好支持的并发，使用了非锁定读，不需要等待访问数据上的锁释放，而是读取行的一个快照，该方法是通过InnonDB MVCC特性实现的。

MVCC是Multi-Version Concurrency Control的简称，即多版本并发控制，作用是让事务在并行发生时，在一定隔离级别前提下，可以保证在某个事务中能实现一致性读，也就是该事务启动时根据某个条件读取到的数据，直到事务结束时，再次执行相同条件，还是读到同一份数据，不会发生变化。

MVCC的好处

读不加锁，读写不冲突。在读多写少的OLTP应用中，读写不冲突是非常重要的，可以增加系统的并发性能。

在MVCC中，有两种读操作：快照度和当前读。

MVCC快照

MVCC内部使用的一致性读快照称为Read View，在不同的隔离级别下，事务启动时或者SQL语句开始时，看到的数据快照版本可能也不同，在RR、RC隔离级别下会用到 Read view。

InnoDB 里面每个事务有一个唯一的事务ID，称为Transaction ID，它是在事务开始的时候向InnoDB的事务系统申请的，是按申请顺序严格递增的。而每行数据都有多个版本。每次事务更新数据的时候，都会生成一个新的数据版本Read View，并且把Transaction ID赋值给这个数据版本的事务 ID，标记为 row_trx_id。同时旧的数据版本要保留，并且在新的数据版本中，能够有信息可以直接拿到它,数据表中的一行记录，其实可能有多个数据版本 ，每个版本有自己的 row_trx_id。

InnoDB行格式

目前InnoDB默认的行格式Dynamic，是Compat格式的增强版，记录头结构信息占用5个字节，事务ID和回滚指针分别占用6和7个字节，行格式如下：

记录头结构

项目

大小（bit）

描述

()

1

Unknown

()

1

Unknown

deleted_flag

1

数据行删除标记

min_rec_flag

1

=1如果该记录被预先被定义为最小的记录

n_owned

4

拥有的记录数

heap_no

13

索引堆中该条记录的排序位置

record_type

3

记录类型；000：普通，001：B 树叶子节点，010：伪列Infinum，011：Supernum，1xx：保留

next_record

16

page中下一条记录的相对位置

Transaction ID

48

记录中的事务ID，固定6个字节

Rollback Pointer

56

回滚指针，固定7个字节

数据行存储

代码语言：javascript复制
#创建表
mysql> create table store_users (id int not null auto_increment primary key comment '主键id',name varchar(20) not null default '' comment '姓名');
# 查看表状态信息
mysql> show table status like 'store_users'G
     Row_format: Dynamic    #默认行格式为Dynamic
           Rows: 0          #行数
 Avg_row_length: 0          #平均行长度
    Data_length: 16384      #初始化段大小16K
    
#开启事务，插入数据
mysql> begin;
mysql> insert into store_users values(null, 'aaaaa'),(null, 'bbbbb');
#查看InnoDB分配的事务ID
mysql> select trx_id from information_schema.innodb_trxG
trx_id: 8407246  #事务ID

分析表的行头信息以及隐藏的事务ID和回滚指针。

代码语言：javascript复制
# 用Linux下的工具hexdump进行分析
$ hexdump -C -v /usr/local/var/mysql/test/store_users.ibd > store_users.txt 
$ vi store_users.txt
00010060  02 00 1b 69 6e 66 69 6d  75 6d 00 03 00 0b 00 00  |...infimum......|
00010070  73 75 70 72 65 6d 75 6d  05 00 00 10 00 1c 80 00  |supremum........|
00010080  00 01 00 00 00 80 48 ce  83 00 00 01 d8 01 10 61  |......H........a|   #Record Header信息
00010090  61 61 61 61 05 00 00 18  ff d6 80 00 00 02 00 00  |aaaa............|
000100a0  00 80 48 ce 83 00 00 01  d8 01 1d 62 62 62 62 62  |..H........bbbbb|
000100b0  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|

00010070 73 75 70 72 65 6d 75 6d 05 00 00 **10** <u>00</u> ***1c 80 00*** |supremum........|

00010080 00 01 **00 00 00 80 48 ce**83 00 00 01 d8 01 10**61** |......**H**........a|

00010090 **61 61 61 61** 05 00 00 18 ff d6 80 00 00 02 00 00 |aaaa............|

  • 10表示变长字段长度，只有一个varchar(20)没有超过256字节，且没有NULL值。
  • 00代表NULL标志位，第一行没有为NULL数据。
  • 字符a的十六进制是61，即61 61 61 61 61代表的是字段值aaaaa
  • 00 00 00 80 48 ce 6个字节就是Transaction ID，转换成十进制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个字节是Rollback Pointer。
  • 1c 80 00 00 01 是5个字节，代表Record Header信息。

隔离级别与快照

REPEATABLE READ

默认的隔离级别，一致读快照（Read View）是在第一次SELECT发起时建立，之后不会再发生变化。如果在同一个事务中发出多个非 锁定SELECT语句，那么这些SELECT语句在事务提交前返回的结果是一致的。

在RR下快照Read View不是事务发起时创建，而是在第一个SELECT发起后创建。

READ COMMITTED

在READ COMMITTED读已提交下，一致读快照（Read View）是在每次SELECT后都会生成最新的Read View，即每次SELECT都能读取到已COMMIT的数据，就会存在不可重复读、幻读 现象。

Undo回滚段

当开启事务执行更新语句（insert/update/deeldte），会经过Server层的处理生成执行计划，然后调用存储引擎层接口去读写数据，用户没有触发COMMIT或ROLLBACK之前，这些Uncommitted Data的数据称为前镜像（Post Image），数据存储在Undo Log，以便用户回滚或者MySQL Server Crash的恢复，同时Undo Log是循环覆盖使用。

代码语言：javascript复制
#开启事务，更新账户余额，不提交事务。
mysql> start transaction;
mysql> update account set balance = 100000 where account_no = 10001;
Rows matched: 1  Changed: 1  Warnings: 0

上面在RR隔离级别下，开启一个事务，做update更新操作，不提交事务，通过show engine innodb statusG查看undo情况。

代码语言：javascript复制
Trx id counter 8407258
Purge done for trx's n:o < 8407257 undo n:o < 0 state: running but idle
History list length 33
......
---TRANSACTION 8407257, ACTIVE 154 sec
2 lock struct(s), heap size 1136, 4 row lock(s), undo log entries 1

Trx id counter 8407258当前的事务ID，undo log entries 1使用了的undo entries，ACTIVE 154 sec事务持续时间，事务commit后，会调用Purge Thread把undo中的老数据清理掉。

回滚记录

insert：反向操作是delete，undo里记录的是delete相关信息，存储主键id即可。

udpate：反向操作是update，undo里记录的是update前的相关数据。

delete：反向操作是insert，undo里记录的是insert values(…..)相关的记录。

从这里可以知道，更新操作占用Undo空间的大小排序如下：

delete > update > insert

所以不建议物理delete删除数据，会产生大量的Undo Log，Undo快被写满就会发生切换，在次期间会有大量的IO操作，导致业务的DML都会变得很慢。

一致性读

MySQL官方文档对一致读的描述：

读操作基于某个时间点得到一份那时的数据快照，而不管同时其他事务对数据的修改。查询过程中，若其他事务修改了数据，那么就需要从 undo log中获取旧版本的数据。这么做可以有效避免因为需要加锁（来阻止其他事务同时对这些数据的修改）而导致事务并行度下降的问题。

在可重复读（REPEATABLE READ，简称RR）隔离级别下，数据快照版本是在第一个读请求发起时创建的。在读已提交（READ COMMITTED，简称RC）隔离级别下，则是在每次读请求时都会重新创建一份快照。

一致性读是InnoDB在RR和RC下处理SELECT请求的默认模式。由于一致性读不会在它请求的表上加锁，其他事务可以同时修改数据不受影响。

一行数据有多个版本，每个数据版本有自己的trx_id，每个事务或者查询通过trx_id生成自己的一致性视图。普通select语句是一致性读，一致性读会根据row trx_id和一致性视图确定数据版本的可见性，图中UR1，UR2就是undo，存储在Undo Log中，每次查询时根据当前data page和 Undo page构造出一致性数据页（Consistent Read Page），通过读取CR Page将数据返回给用户。

总结

介绍了MySQL事务，快照，MVCC以及Undo，虽然这些东西比较抽象，但是搞清楚这些东西是一件很有意义的事，能够帮助我们更好的理解和使用MySQL，也可以把这种设计思想用在自己业务系统中。其中Undo在MySQL中的作用很重要，它是MVCC能够快速创建快照基础，支撑系统的高并发。

好啦，以上就是本期的全部内容了，我是敖丙，你知道的越多，你不知道的越多，我们下期见。

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