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我身邊的高T，問了Java面試者這樣的問題......

大家好，我是來自JDL京東物流技術發(fā)展部邢煥杰， 今天來分享一個京東面試真題，這也是我前陣子聽我工位旁邊高T（高，實在是高）面試候選人的時候問的一個問題，他問，你能說說 MySQL的事務嗎？MVCC有了解嗎？話不多說，本文就深度解析一下MySQL事務及MVCC的實現(xiàn)原理。

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事務定義及四大特性

  • 事務是什么？

    就是用戶定義的一系列數(shù)據(jù)庫操作，這些操作可以視為一個完成的邏輯處理工作單元，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行，是不可分割的工作單元。

  • 事務的四大特性（簡稱ACID）：

    • 原子性（Atomicity）：一個事務是一個 不可分割的工作單位，事務中包括的操作要么都做，要么都不做。
    • 一致性（Consistency）：事務必須是使數(shù)據(jù)庫 從一個一致性狀態(tài)變到另一個一致性狀態(tài)。一致性與原子性是密切相關的。
    • 隔離性（Isolation）：一個事務的執(zhí)行不能被其他事務干擾。即一個事務內部的操作及使用的數(shù)據(jù)對并發(fā)的其他事務是隔離的，并發(fā)執(zhí)行的各個事務之間 不能互相干擾.
    • 持久性（Durability）：指一個事務一旦提交，它對數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的 改變就應該是永久性的,接下來的其他操作或故障不應該對其有任何影響。

事務中常見問題

  • 臟讀（dirty read）：就是一個A事務即便沒有提交，它對數(shù)據(jù)的修改也可以被其他事務B事務看到，B事務讀到了A事務還未提交的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)有可能是錯的，有可能A不想提交這個數(shù)據(jù)，這只是A事務修改數(shù)據(jù)過程中的一個中間數(shù)據(jù)，但是被B事務讀到了，這種行為被稱作臟讀，這個數(shù)據(jù)被稱為臟數(shù)據(jù)

  • 不可重復讀（non-repeatable read）：在A事務內，多次讀取同一個數(shù)據(jù)，但是讀取的過程中，B事務對這個數(shù)據(jù)進行了修改，導致此數(shù)據(jù)變化了，那么A事務再次讀取的時候，數(shù)據(jù)就和第一次讀取的時候不一樣了，這就叫做不可重復讀

  • 幻讀（phantom read）：A事務多次查詢數(shù)據(jù)庫，結果發(fā)現(xiàn)查詢的數(shù)據(jù)條數(shù)不一樣，A事務多次查詢的間隔中，B事務又寫入了一些符合查詢條件的多條數(shù)據(jù)（這里的寫入可以是update，insert，delete），A事務再查的話，就像發(fā)生了幻覺一樣，怎么突然改變了這么多，這種現(xiàn)象這就叫做幻讀

隔離級別——產(chǎn)生問題的原因

多個事務互相影響，并沒有隔離好，就是我們剛才提到的事務的四大特性中的 隔離性（Isolation） 出現(xiàn)了問題 事務的隔離級別并沒有設置好，下面我們來看下事務究竟有哪幾種隔離級別

  • 隔離級別
    • 讀未提交（read uncommitted RU）： 一個事務還沒提交時，它做的變更就能被別的事務看到
    • 讀提交（read committed RC）： 一個事務提交之后，它做的變更才會被其他事務看到。
    • 可重復讀（repeatable read RR）： 一個事務執(zhí)行過程中看到的數(shù)據(jù)，總是跟這個事務在啟動時看到的數(shù)據(jù)是一致的。當然在可重復讀隔離級別下，未提交變更對其他事務也是不可見的。
    • 串行化（serializable ）： 顧名思義是對于同一行記錄，“寫”會加“寫鎖”，“讀”會加“讀鎖”。當出現(xiàn)讀寫鎖沖突的時候，后訪問的事務必須等前一個事務執(zhí)行完成，才能繼續(xù)執(zhí)行。

我們來看個例子，更加直觀的了解這四種隔離級別和上述問題臟讀，不可重復讀，幻讀的關系

下面我們討論下當事務處于不同隔離級別情況時，V1,V2,V3分別是什么不同的值吧

  • 讀未提交 (RU)： A事務可以讀取到B事務修改的值，即便B事務沒有提交。所以V1就是200

    • V1 : 200
    • V2 : 200
    • V3 : 200

  • 讀提交（RC）： 當B事務沒有提交的時候，A事務不可以看到B事務修改的值，只有提交以后才可以看到

    • V1 : 100
    • V2 : 200
    • V3 : 200

  • 可重復讀（RR）： A事務多次讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總和第一次讀取的一樣，

    • V1 : 100
    • V2 : 100
    • V3 : 200

  • 串行化（S）： 事務A在執(zhí)行的時候，事務B會被鎖住，等事務A執(zhí)行結束后，事務B才可以繼續(xù)執(zhí)行

    • V1 : 100
    • V2 : 100
    • V3 : 200

MVCC原理

MVCC（Multi-Version Concurrency Control）多版本并發(fā)控制，是數(shù)據(jù)庫控制并發(fā)訪問的一種手段。

  • 特別要注意 MVCC只在  讀已提交(RC) 和  可重復度（RR） 這兩種事務隔離級別下才有效
  • 是  數(shù)據(jù)庫引擎（InnoDB） 層面實現(xiàn)的，用來處理讀寫沖突的手段（不用加鎖），提高訪問性能

MVCC是怎么實現(xiàn)的呢？它靠的就是版本鏈和一致性視圖

1. 版本鏈

  • 版本鏈是一條鏈表，鏈接的是每條數(shù)據(jù)曾經(jīng)的修改記錄

那么這個版本鏈又是如何形成的呢，每條數(shù)據(jù)又是靠什么鏈接起來的呢？

其實是這樣的，對于InnoDB存儲引擎的表來說，它的聚簇索引記錄包含兩個隱藏字段

  • trx_id: 存儲修改此數(shù)據(jù)的事務id，只有這個事務操作了某些表的數(shù)據(jù)后當更改操作發(fā)生的時候（update,delete,insert），才會分配唯一的事務id,并且此事務id是遞增的
  • roll_pointer: 指針，指向上一次修改的記錄
  • row_id(非必須): 當有主鍵或者有不允許為null的unique鍵時，不包含此字段

假如說當前數(shù)據(jù)庫有一條這樣的數(shù)據(jù)，假設是事務ID為100的事務插入的這條數(shù)據(jù)，那么此條數(shù)據(jù)的結構如下：

后來，事務200，事務300，分別來修改此數(shù)據(jù)：  

所以此時的版本鏈如下：

我們每更改一次數(shù)據(jù)，就會插入一條undo日志，并且記錄的roll_pointer指針會指向上一條記錄，如圖所示：

  1. 第一條數(shù)據(jù)是小杰，事務ID為100
  2. 事務ID為200的事務將名稱從小杰改為了A
  3. 事務ID為200的事務將名稱從A又改為了B
  4. 事務ID為300的事務將名稱從B又改為了C

所以串成的鏈表就是 C -> B -> A -> 小杰 （從最新的數(shù)據(jù)到最老的數(shù)據(jù)）

2. 一致性視圖（ReadView）

需要判斷版本鏈中的哪個版本是是當前事務可見的，因此有了一致性視圖的概念。其中有四個屬性比較重要

  • m_ids: 在生成ReadView時，當前活躍的讀寫事務的事務id列表
  • min_trx_id: m_ids的最小值
  • max_trx_id: m_ids的最大值+1
  • creator_trx_id: 生成該事務的事務id，單純開啟事務是沒有事務id的，默認為0，creator_trx_id是0。

版本鏈中的當前版本是否可以被當前事務可見的要根據(jù)這四個屬性按照以下幾種情況來判斷

  • 當 trx_id = creator_trx_id 時:當前事務可以看見自己所修改的數(shù)據(jù)，  可見，
  • 當 trx_id < min_trx_id 時   : 生成此數(shù)據(jù)的事務已經(jīng)在生成readView前提交了，  可見
  • 當  trx_id >= max_trx_id 時   :表明生成該數(shù)據(jù)的事務是在生成ReadView后才開啟的，  不可見
  • 當  min_trx_id <= trx_id < max_trx_id 時
    • trx_id 在 m_ids 列表里面 ：生成ReadView時，活躍事務還未提交， 不可見
    • trx_id 不在 m_ids 列表里面 ：事務在生成readView前已經(jīng)提交了， 可見

如果某個版本數(shù)據(jù)對當前事務不可見，那么則要順著版本鏈繼續(xù)向前尋找下個版本，繼續(xù)這樣判斷，以此類推。

注：RR和RC生成一致性視圖的時機不一樣 （這也是兩種隔離級別實現(xiàn)的主要區(qū)別）

  • 讀提交（read committed RC） 是在 每一次select的時候生成ReadView的
  • 可重復讀（repeatable read RR）是在 第一次select的時候生成ReadView的

下面咱們一起來舉個例子實戰(zhàn)一下。

RR與RC和MVCC的例子實戰(zhàn)

假如說，我們有多個事務如下執(zhí)行，我們通過這個例子來分析當數(shù)據(jù)庫隔離級別為RC和RR的情況下，當時讀數(shù)據(jù)的一致性視圖和版本鏈，也就是MVCC，分別是怎么樣的。

  • 假設數(shù)據(jù)庫中有一條初始數(shù)據(jù)  姓名是java小杰要加油，id是1 （id,姓名,trx_id,roll_point），插入此數(shù)據(jù)的事務id是1
  • 尤其要指出的是，只有這個事務操作了某些表的數(shù)據(jù)后當更改操作發(fā)生的時候（update,delete,insert），才會分配唯一的事務id,并且此事務id是遞增的，單純開啟事務是沒有事務id的，默認為0，creator_trx_id是0。
  • 以下例子中的A,B,C的意思是將姓名更改為A,B,C 讀也是讀取當前時刻的姓名,默認全都開啟事務,并且此事務都經(jīng)歷過某些操作產(chǎn)生了事務id  

讀已提交（RC）與MVCC  

 

一個事務提交之后，它做的變更才會被其他事務看到  

每次讀的時候，ReadView(一致性視圖)都會重新生成

  1. 當T1時刻時，事務100修改名字為A
  2. 當T2時刻時，事務100修改名字為B
  3. 當T3時刻時，事務200修改名字為C
  4. 當T4時刻時，事務300開始讀取名字 

 

此時這條數(shù)據(jù)的版本鏈如下： 

同顏色代表是同一事務內的操作

   

來我們靜下心來好好分析一下此時T4時刻事務300要讀了，
究竟會讀到什么數(shù)據(jù)？   

當前最近的一條數(shù)據(jù)是，C，事務200修改的，還記得我們前文說的一致性視圖的幾個屬性嗎，和按照什么規(guī)則判斷這個數(shù)據(jù)能不能被當前事務讀。我們就分析這個例子。 此時  （
生成一致性視圖ReadView） 

  • m_ids 是[100,200]： 當前活躍的讀寫事務的事務id列表

  • min_trx_id 是 100：  m_ids的最小值

  • max_trx_id 是 201： m_ids的最大值+1  

當前數(shù)據(jù)的trx_id(事務id)是 200，符合min_trx_id<=trx_id

分析完第一個讀，我們繼續(xù)向下分析

  1. 當T5時刻時，事務100提交
  2. 當T6時刻時，事務300將名字改為D
  3. 當T7時刻時，事務400讀取當前數(shù)據(jù) 

 

此時這條數(shù)據(jù)的版本鏈如下： 

此時 （重新生成一致性視圖ReadView）

    • m_ids 是[200,300]： 當前活躍的讀寫事務的事務id列表
    • min_trx_id 是 200：  m_ids的最小值
    • max_trx_id 是 301： m_ids的最大值+1

當前數(shù)據(jù)事務id是300，數(shù)據(jù)為D，符合min_trx_id<=trx_idB。

分析完第二個讀，我們繼續(xù)向下分析

  1. 當T8時刻時，事務200將名字改為E
  2. 當T9時刻時，事務200提交
  3. 當T10時刻時，事務300讀取當前數(shù)據(jù)  

 此時這條數(shù)據(jù)的版本鏈如下：  

此時 （重新生成一致性視圖ReadView）

    • m_ids 是[300]： 當前活躍的讀寫事務的事務id列表
    • min_trx_id 是 300：  m_ids的最小值
    • max_trx_id 是 301： m_ids的最大值+1

當前事務id是200，200E。

當隔離級別是讀已提交RC的情況下，每次讀都會重新生成 一致性視圖（ReadView）

  • T4時刻 事務300讀取到的數(shù)據(jù)是 小杰
  • T7時刻 事務400讀取到的數(shù)據(jù)是 B
  • T10時刻 事務300讀取到的數(shù)據(jù)是 E

可重復讀（RR）與MVCC   

 

一個事務執(zhí)行過程中看到的數(shù)據(jù)，總是跟這個事務在啟動時看到的數(shù)據(jù)是一致的   

所以對于事務300來講，它分別在T4和T10的時候，讀取數(shù)據(jù)，但是它的一致性視圖，
用的永遠都是第一次讀取時的視圖，就是T3時刻產(chǎn)生的一致性視圖 

RR和RC的版本鏈是一樣的，但是判斷當前數(shù)據(jù)可見與否用到的一致性視圖不一樣

在此可重復讀RR隔離級別下，

  1. T4時刻時事務300第一次讀時的分析和結果與RC都一樣，可以見上文分析與結果
  2. T7時刻時事務400第一次讀時的分析和結果與RC都一樣，可以見上文分析與結果
  3. T10時刻時事務300第二次讀時的一致性視圖和第一次讀時的一樣，所以此時到底讀取到什么數(shù)據(jù)就要重新分析了

此時  （用的是第一次讀時生成的一致性視圖ReadView）

    • m_ids 是[100,200]： 當前活躍的讀寫事務的事務id列表
    • min_trx_id 是 100：  m_ids的最小值
    • max_trx_id 是 201： m_ids的最大值+1

此時的版本鏈是

當前數(shù)據(jù)的事務id是200，數(shù)據(jù)是E，在當前事務活躍列表里面，所以數(shù)據(jù)不可見，根據(jù)回滾指針找到上個版本，發(fā)現(xiàn)事務id是300，當前事務也是300，可見，所以讀取的數(shù)據(jù)是D  

我們可以自己思考下，要是沒有事務300這條更改的這條記錄，又該怎么繼續(xù)向下分析呢？ 

當隔離級別是可重復讀RR的情況下，每次讀都會用第一次讀取數(shù)據(jù)時生成的一致性視圖（ReadView）

  • T4時刻 事務300讀取到的數(shù)據(jù)是 小杰
  • T7時刻 事務400讀取到的數(shù)據(jù)是 B
  • T10時刻 事務300讀取到的數(shù)據(jù)是 D 

當前文章：我身邊的高T，問了Java面試者這樣的問題......
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