MVCC多版本并发控制和幻读问题的解决 - 天~若比邻 - JOYK Joy of Geek, Geek News, Link all geek

首先我们先介绍一下锁的分类，再进入今天的正题。

一、锁分类：

1.从性能上分：乐观锁、悲观锁。乐观锁（用版本号对比或CAS机制）适用于读比较多的场景，悲观锁适用于写比较多的场景。如果在写比较多的场景使用乐观锁，会导致对比次数过多，影响性能。
2.从对数据的粒度上分：表锁、页锁、行锁。
3.从对数据库的操作上分：读锁(悲观锁)、写锁(悲观锁)、意向锁。
- 读锁（共享锁，S锁（shared））:针对同一条数据加了读锁之后，其他读操作可以同时进行，不受影响。
  比如：select * from A where id = 1 lock in share mode.
- 写锁（排他锁，X锁（exclusive））:针对同一条数据加了写锁之后，其他的事务不能写和读。insert、update、delete会加写锁，查询可以通过加for update加写锁。
  比如：select * from A where id = 1 for update.
- 意向锁：又称I锁，表锁。主要是为了提高加表锁的效率，mysql提供的。

间隙锁和临键锁：

间隙锁的目的主要是为了防止幻读，以满足相关隔离级别的要求。间隙锁主要通过两个方面实现这个目的：一是防止间隙内有新数据被插入，二是防止已存在的数据被更新成间隙内的数据。

1.间隙锁：锁的是两个值之间的间隙，在可重复读隔离级别下生效，mysql默认是RR级别，RR级别下有幻读问题，间隙锁就是为了解决幻读问题出现的。
2.临键锁：行锁和间隙锁的组合。

注意：关于RR级别行锁升级为表锁的原因：

在RR级别下，需要解决不可重复读和幻读问题。在遍历扫描聚集索引记录时，为了防止扫描过的索引被其他事务修改(不可重复读问题) 或 间隙被其他事务插入记录(幻读问题)，从而导致数据不一致，索引mysql的解决方案就是把所有扫描过的索引记录和间隙都锁上，这里并不是直接将整张表加表锁，因为不一定能加上表锁，可能会有其他的事务锁住表里的其他记录。

二、MVCC多版本并发控制：

首先先介绍几个相关的概念：

1.mvcc定义和核心思想：

定义：mvcc是一种并发控制机制，用来控制并发执行的事务，保证事务之间的隔离性。
核心思想：mvcc是通过保存某个时间点的数据生成快照版本来定义的。mvcc允许同一条记录有不同的快照版本，不同事务在查询时通过添加一些约束条件，就可以得到对于某个时刻快照版本的数据。
mysql在读已提交和可重复读隔离级别下都实现了mvcc机制。

2.快照读和当前读：

1.快照读：基于mvcc机制和undo log实现的，适用于简单的select语句。
2.当前读：基于临键锁（行锁+间隙锁）实现的，适用于update、insert、delete、select...for update、select...lock in share mode及加锁的select语句。

3.undo日志版本链：

undo日志版本链是指一行数据被每个事务依次修改过后，在每个事务修改完后，会保留修改前的数据到undo log日志中，通过trx_id和roll_pointer字段将undo log日志串连成一个历史记录日志版本链。

4.MVCC版本对比规则：

在可重复读隔离级别下，当事务开启时，任何查询的sql在第一次select时都会生成一致性视图read-view，并且这个视图在事务结束前都不会改变。这个视图是由所有未提交的事务组成的事务组，事务组里面的事务查询sql都需要都对应记录版本链的最新记录逐条和read-view做对比，最终得到想要的快照结果。

注：在读已提交的隔离级别下，每次select查询都会生成一个一致性视图。

a.create_trx_id : 当前事务id
b.trxs组：当前所有未提交事务
c.min_trx_id:  最小未提交事务id
d.max_trx_id：最大未提交事务id
# 版本对比规则：
1.当trx_id = create_trx_id可见。
2.当trx_id < min_trx_id,表示这个版本由已提交事务生成的，可见。
3.当trx_id > max_trx_id，表示这个版本是由将来的事务生成的，可见。
4.当min<= trx_id <= max_trx_id,分两种情况：
    a.当trx_id在这个trxs组内，说明这个版本是未提交的事务，不可见。
    b.当trx_id不再这个trxs组内，说明这个版本是由已提交事务生成的，可见。

三、幻读问题的解决：

首先回顾一下事务的四大特性和事务的隔离级别，以及不同的隔离级别会出现什么样的问题。

事务的四大特性：原子性、一致性、隔离性、持久性。
事务的隔离级别：读未提交、读已提交、不可重复读、串行化。

读未提交：会出现脏读（当前内存读），不可重复读，幻读问题。
读已提交：不会出现脏读问题，但会出现不可重复读，幻读问题。
不可重复读：不会出现脏读、不可重复读问题，但会出现幻读问题（mvcc机制和锁可以彻底解决这个问题）。
串行化：串行化读取数据，但是事务的并发度就没有了。

* 脏读：读取到其他事务未提交的数据
* 不可重复读问题：指的是在同一个事务中，多次查询同一条数据（已经存在的数据），由于其他事务的修改，导致查询的结果不一样。
* 幻读：指的是在一个事务中，查询一个范围内的数据，一般是count,多次返回的数量不一样，查询到其他事务新插入的数据。

结论：先说一下结论，在RR隔离级别下，幻读问题可以通过mvcc机制和间隙锁或临键锁解决（必需让查询语句使用当前读，不能使用快照读）。
下面举了一些示例：

CREATE TABLE `gap_test` (
  `id` bigint(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT 'id',
  `number` int(11) NOT NULL COMMENT '数字',
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE,
  KEY `index_number` (`number`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=31 DEFAULT CHARSET=utf8 ROW_FORMAT=COMPACT COMMENT='间隙锁表'

1.成功解决幻读的问题示例:

#间隙锁示例：(间隙锁之间是兼容的，高并发的场景下，不正确的使用可能会导致死锁)
session 1:
begin;
select * from gap_test where number = 8 from update; // 记录不存在，执行成功

session 2:
begin;
select * from gap_test where number = 8 from update; // 记录不存在，执行成功
insert into gap_test value (11，11);//阻塞
insert into gap_test value (7，5);//阻塞
insert into gap_test value (2,5);//执行成功
insert into gap_test value (14,11);//执行成功

这时会对number=8进行检索，检索不到记录，会向左取最近的值number=5作为左区间，向右取最近的值number=11作为右区间，所以session 1锁的间隙范围为：number（5，11）。即在(id=6,number=5)和（id=13,number=11）这个间隙范围内不能插入任何数据。

#临键锁示例：
session 1:
begin;
select * from gap_test where number = 5 from update;//记录存在，执行成功(会加写锁)

session 2:
begin;
select * from gap_test where number = 5 from update;//阻塞(写锁互斥)
insert into gap_test value (4，4);//阻塞
insert into gap_test value (4，5);//阻塞
insert into gap_test value (8，8);//阻塞
insert into gap_test value (11，11);//阻塞
insert into gap_test value (2,4);//执行成功
insert into gap_test value (14,11);//执行成功

这时会对number = 5进行检索，检索到记录之后，会对number =5的记录加写锁，然后向左取最近的值number=4作为左区间，向右取最近的值number=11作为右区间，所以session 1锁的间隙范围为：number(4,5),number(5,11)。即在（id=3,number=4）和（id=6,number=5）、（id=6,number=5）和（id=13,number=11）之间的间隙范围内不能插入任何数据。

2.没有解决幻读问题的示例：
- 上面的示例产生了幻读问题。事务A和事务B同时执行，事务A修改了事务B的新提交的记录，再查询时查到上次没有查到的记录，产生了幻读。要彻底解决幻读问题，查询语句需要加锁，由快照读变为当前读。

3.高并发的场景下，不正确的使用可能会导致死锁示例：

事务A和事务B同时开启事务执行查询语句，这个间隙锁的范围是（30, +oo），事务B先在间隙锁范围内插入一条语句,事务A也在间隙锁范围内插入一条语句，然后发生了死锁。
我们执行一下SHOW ENGINE INNODB STATUS语句查看死锁日志：


=====================================
2024-01-12 16:42:35 4af4 INNODB MONITOR OUTPUT
=====================================
Per second averages calculated from the last 34 seconds
-----------------
BACKGROUND THREAD
-----------------
srv_master_thread loops: 661 srv_active, 0 srv_shutdown, 239375 srv_idle
srv_master_thread log flush and writes: 240027
----------
SEMAPHORES
----------
OS WAIT ARRAY INFO: reservation count 156
OS WAIT ARRAY INFO: signal count 155
Mutex spin waits 228, rounds 1256, OS waits 27
RW-shared spins 125, rounds 3674, OS waits 121
RW-excl spins 4, rounds 264, OS waits 4
Spin rounds per wait: 5.51 mutex, 29.39 RW-shared, 66.00 RW-excl
------------------------
### 发生死锁
LATEST DETECTED DEADLOCK
------------------------
2024-01-12 16:40:30 48e8
*** (1) TRANSACTION:
TRANSACTION 1488272, ACTIVE 67 sec inserting
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT 3 lock struct(s), heap size 360, 2 row lock(s), undo log entries 1
MySQL thread id 39, OS thread handle 0x5c68, query id 2627 ::1 root update
insert into gap_test value (40,36)
*** (1) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 2067 page no 4 n bits 88 index `index_number` of table `test`.`gap_test` trx id 1488272 lock_mode X insert intention waiting
Record lock, heap no 1 PHYSICAL RECORD: n_fields 1; compact format; info bits 0
 0: len 8; hex 73757072656d756d; asc supremum;;

*** (2) TRANSACTION:
TRANSACTION 1488273, ACTIVE 48 sec inserting
mysql tables in use 1, locked 1
3 lock struct(s), heap size 360, 2 row lock(s), undo log entries 1
MySQL thread id 38, OS thread handle 0x48e8, query id 2628 ::1 root update
insert into gap_test value (41,37)
*** (2) HOLDS THE LOCK(S):
RECORD LOCKS space id 2067 page no 4 n bits 88 index `index_number` of table `test`.`gap_test` trx id 1488273 lock_mode X
Record lock, heap no 1 PHYSICAL RECORD: n_fields 1; compact format; info bits 0
 0: len 8; hex 73757072656d756d; asc supremum;;

*** (2) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 2067 page no 4 n bits 88 index `index_number` of table `test`.`gap_test` trx id 1488273 lock_mode X insert intention waiting
Record lock, heap no 1 PHYSICAL RECORD: n_fields 1; compact format; info bits 0
 0: len 8; hex 73757072656d756d; asc supremum;;

*** WE ROLL BACK TRANSACTION (2)
------------
TRANSACTIONS
------------
Trx id counter 1488278
Purge done for trx's n:o < 1488278 undo n:o < 0 state: running but idle
History list length 583
LIST OF TRANSACTIONS FOR EACH SESSION:
---TRANSACTION 0, not started
MySQL thread id 41, OS thread handle 0x4ac8, query id 2577 ::1 root cleaning up
---TRANSACTION 1488267, not started
MySQL thread id 40, OS thread handle 0x4af4, query id 2629 ::1 root init
SHOW ENGINE INNODB STATUS
---TRANSACTION 1488273, not started
MySQL thread id 38, OS thread handle 0x48e8, query id 2628 ::1 root cleaning up
---TRANSACTION 1488272, ACTIVE 192 sec
4 lock struct(s), heap size 1184, 3 row lock(s), undo log entries 1
MySQL thread id 39, OS thread handle 0x5c68, query id 2627 ::1 root cleaning up
--------
FILE I/O
--------
I/O thread 0 state: wait Windows aio (insert buffer thread)
I/O thread 1 state: wait Windows aio (log thread)
I/O thread 2 state: wait Windows aio (read thread)
I/O thread 3 state: wait Windows aio (read thread)
I/O thread 4 state: wait Windows aio (read thread)
I/O thread 5 state: wait Windows aio (read thread)
I/O thread 6 state: wait Windows aio (write thread)
I/O thread 7 state: wait Windows aio (write thread)
I/O thread 8 state: wait Windows aio (write thread)
I/O thread 9 state: wait Windows aio (write thread)
Pending normal aio reads: 0 [0, 0, 0, 0] , aio writes: 0 [0, 0, 0, 0] ,
 ibuf aio reads: 0, log i/o's: 0, sync i/o's: 0
Pending flushes (fsync) log: 0; buffer pool: 0
3071 OS file reads, 882 OS file writes, 559 OS fsyncs
0.00 reads/s, 0 avg bytes/read, 0.00 writes/s, 0.00 fsyncs/s
-------------------------------------
INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX
-------------------------------------
Ibuf: size 1, free list len 0, seg size 2, 0 merges
merged operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
discarded operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
Hash table size 276707, node heap has 8 buffer(s)
0.00 hash searches/s, 0.00 non-hash searches/s
---
LOG
---
Log sequence number 1239834765
Log flushed up to   1239834765
Pages flushed up to 1239834765
Last checkpoint at  1239834765
0 pending log writes, 0 pending chkp writes
251 log i/o's done, 0.00 log i/o's/second
----------------------
BUFFER POOL AND MEMORY
----------------------
Total memory allocated 137428992; in additional pool allocated 0
Dictionary memory allocated 4504559
Buffer pool size   8192
Free buffers       5820
Database pages     2364
Old database pages 888
Modified db pages  0
Pending reads 0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 0, not young 0
0.00 youngs/s, 0.00 non-youngs/s
Pages read 2339, created 25, written 525
0.00 reads/s, 0.00 creates/s, 0.00 writes/s
No buffer pool page gets since the last printout
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s, Random read ahead 0.00/s
LRU len: 2364, unzip_LRU len: 0
I/O sum[0]:cur[0], unzip sum[0]:cur[0]
--------------
ROW OPERATIONS
--------------
0 queries inside InnoDB, 0 queries in queue
0 read views open inside InnoDB
Main thread id 7344, state: sleeping
Number of rows inserted 34, updated 25, deleted 0, read 3991433
0.00 inserts/s, 0.00 updates/s, 0.00 deletes/s, 0.00 reads/s
----------------------------
END OF INNODB MONITOR OUTPUT
============================

MVCC多版本并发控制和幻读问题的解决 - 天~若比邻

一、锁分类：

注意：关于RR级别行锁升级为表锁的原因：

二、MVCC多版本并发控制：

三、幻读问题的解决：

后面一章，我们会着重分析一下mysql在RR隔离级别下的加锁过程，敬请期待！

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