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本文主要介紹AntDB數據庫內核中的一個很重要的機製——MVCC機製。

MVCC簡介

MVCC（多版本並發控製）是AntDB數據庫中實現事務隔離級別的一種機製。它允許多個事務同時對數據進行讀寫和修改操作，而不會相互幹擾。在MVCC中，每個數據庫事務在讀取數據時會看到一個特定的版本，這使得事務之間可以同時進行讀寫操作，而不會相互沖突。每個事務可以操作自己的數據版本，從而實現了更高的並發性和更好的性能。

MVCC的核心思想是，對於每個修改操作，不是直接在原始數據上進行修改，而是創建一個新的數據版本，並將修改操作應用於新版本。這樣，其他事務仍然可以訪問舊版本的數據，而不會受到正在進行的修改的影響。只有在事務提交時，新版本的數據才會替代舊版本，從而實現數據的一致性。

MVCC實現原理

1、隱藏字段

了解MVCC之前，需要先介紹一下數據庫內核中幾個隱藏的字段，MVCC機製通過這些隱藏的標記字段來協同實現。

oid: 對象標識符，生成的值是全局唯一的，表、索引、視圖都帶有oid

ctid: 每條記錄（稱為一個tuple）在表中的物理位置標識。

xmin: 創建一條記錄（tuple）時，記錄此值為當前事務ID。

xmax: 創建tuple時，默認為0，刪除tuple時，記錄此值為當前事務ID。

cmin/cmax: 標識在同一個事務中多個語句命令的序列值，從0開始，用於同一個事務中實現版本可見性判斷

2、數據版本

在AntDB中，每個數據項都包含一個唯一的版本號，稱為xmin。每個數據項還包含一個刪除版本號，稱為xmax。這些版本號用於記錄行版本的創建和刪除事務。當一個事務讀取或修改數據時，它將在內存中創建一個新的數據版本，並分配一個唯一的版本號。這個版本號將與事務ID相關聯，用於跟蹤事務對數據的修改。

3、事務狀態

每個事務都有一個唯一的事務ID，稱為xid。事務ID用於標識事務的狀態。當事務開始時，它將分配一個唯一的事務ID，並將其記錄在事務狀態日誌文件中，事務狀態日誌文件用於記錄事務的狀態信息。通過事務狀態日誌文件，AntDB可以跟蹤每個事務的狀態，並根據事務ID選擇適當的數據版本。

4、並發控製

在並發控製中，AntDB使用了一種稱為「讀-寫偏斜」的技術。這種技術的基本思想是：當一個事務正在修改數據時，其他事務不能同時讀取或修改該數據。通過限製並發事務對數據的訪問，AntDB可以避免讀寫沖突。

當一個事務需要讀取數據時，AntDB會檢查該數據的最新版本號（即xmax）。如果最新版本號等於當前事務的事務ID，則表示該數據正在被修改，當前事務不能讀取該數據。如果最新版本號小於當前事務的事務ID，則表示該數據已經提交，當前事務可以讀取該數據。如果最新版本號介於兩個事務ID之間，則表示該數據處於中間狀態，當前事務需要等待該數據變為可用狀態後再進行讀取。

當一個事務需要修改數據時，AntDB會將新數據版本寫入磁盤，並將新版本的事務ID更新到事務狀態日誌文件中。其他事務在讀取數據時，將檢查該數據的事務ID是否與它們的事務ID相同。如果相同，則讀取該版本的數據；如果不同，則讀取更高版本的數據。通過這種方式，AntDB實現了並發控製，避免了讀寫沖突。

5、可見性判定

在並發控製中，可見性判定是一個重要的環節。它用於確定一個事務能否看到另一個事務提交的數據。在AntDB中，可見性判定是通過檢查事務ID來實現的。如果一個事務的提交順序在另一個事務之後，那麽前一個事務就可以看到後一個事務提交的數據。反之，如果一個事務的提交順序在前一個事務之前，那麽前一個事務就看不到後一個事務提交的數據。通過這種方式，AntDB實現了可見性的判定。

MVCC的優點

並發優化

讀寫不會相互阻塞，寫操作並沒有堵塞其他事務的讀，在寫事務未提交前，讀取的都是之前的版本，提高了並發的訪問效率。

快速回滾

事務可以快速回滾，操作後的tuple都帶有當前事務ID，直接標記事務狀態日誌文件中對應事務的狀態就可達到回滾的目的。

MVCC的缺點

索引維護消耗

當對表執行 UPDATE 查詢時，數據庫還必須更新該表的所有索引以將條目添加到新版本。這些索引更新增加了內存壓力和磁盤 I/O，特別是對於具有大量索引的表，隨著表中索引數量的增加，更新元組時產生的開銷也會增加。

事務回卷問題

事務ID回卷問題會影響到事務的並發訪問和提交順序，可能會導致死鎖和幻像讀等問題。具體來說，當新的事務ID回卷到舊的事務ID時，可能會導致舊的事務無法正常提交，因為新的事務會覆蓋舊的事務的數據版本。

垃圾數據問題

根據MVCC機製，更新和刪除的記錄都不會被實際刪除，操作頻繁的表會積累大量的過期數據，占用磁盤空間，當掃描查詢數據時，需要更多的IO，降低查詢效率。但是可以通過vacuum命令操作來清理過期的數據。

小結

在本文中，我們詳細介紹了MVCC（多版本並發控製）機製的工作原理、優點和缺點，以及它對數據庫事務和並發訪問的影響。MVCC是一種強大的並發控製機製，它允許多個事務同時進行讀寫操作，提高了數據庫的並發性和性能，並解決了傳統鎖定機製可能帶來的性能問題和並發沖突。

然而，它也存在一些缺點，所以在使用時需要註意優化。

關於亞信安慧AntDB數據庫

AntDB數據庫始於2008年，在運營商的核心系統上，服務國內24個省市自治區的數億用戶，具備高性能、彈性擴展、高可靠等產品特性，峰值每秒可處理百萬筆通信核心交易，保障系統持續穩定運行超十年，並在通信、金融、交通、能源、物聯網等行業成功商用落地。