為了解決讀寫沖突，數(shù)據(jù)庫提供了多種手段，比如表級(jí)和行級(jí)鎖。而為了進(jìn)一步提升并發(fā)性能，引入了 MVCC（多版本并發(fā)控制）。今天來聊一聊 PostgreSQL 的 MVCC 是怎樣實(shí)現(xiàn)的。

1.隔離級(jí)別

1.1 四類問題

使用數(shù)據(jù)庫時(shí)，事務(wù)的并發(fā)常常會(huì)遇到四類問題：

• 臟讀：事務(wù) A 讀取了事務(wù) B 未提交的修改數(shù)據(jù)。如果事務(wù) B 回滾，事務(wù) A 讀取的數(shù)據(jù)就是無效的臟數(shù)據(jù)。
• 不可重復(fù)讀：同一事務(wù)內(nèi)多次讀取同一行數(shù)據(jù)，這條數(shù)據(jù)因?yàn)楸黄渌聞?wù)修改過并且已經(jīng)提交事務(wù)，導(dǎo)致多次讀取到的結(jié)果不一致。
• 幻讀：同一事務(wù)內(nèi)多次查詢同一范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，因其他事務(wù)插入或刪除符合條件的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致事務(wù)在后面讀取到的結(jié)果集不一樣，像產(chǎn)生了幻覺。
• 序列化異常：成功提交一個(gè)事務(wù)，結(jié)果可能跟按照不同順序提交這組事務(wù)的結(jié)果不一致。

1.2 隔離級(jí)別

針對(duì)臟讀、幻讀、不可重復(fù)讀的問題，數(shù)據(jù)庫引入了 4 種標(biāo)準(zhǔn)隔離級(jí)別：

• 串行化（Serializable）：事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)讀寫都是串行化的。
• 可重復(fù)讀（Repeatable Read）：事務(wù)執(zhí)行過程中，多次讀取同一行數(shù)據(jù)，讀取結(jié)果一致。
• 讀已提交數(shù)據(jù)（Read Committed）：事務(wù)執(zhí)行過程中，如果有其他事務(wù)修改了數(shù)據(jù)并且提交事務(wù)，當(dāng)前事務(wù)可以讀取到最新提交的數(shù)據(jù)。
• 讀未提交數(shù)據(jù)（Read Uncommitted）：事務(wù)執(zhí)行過程中，可以讀取到其他事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)。

在多數(shù)數(shù)據(jù)庫中，我們可以使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)事務(wù)隔離級(jí)別中的任何一個(gè)。 但其實(shí) PostgreSQL 內(nèi)部只實(shí)現(xiàn)了三個(gè)不同的隔離級(jí)別，PostgreSQL 的 Read Uncommitted 級(jí)別跟 Read Committed 類似。這是將標(biāo)準(zhǔn)隔離級(jí)別映射到 PostgreSQL 的 MVCC 架構(gòu)的唯一合理方法。如下表格：

這個(gè)表格也可以看出，在 Repeatable read 這個(gè)隔離級(jí)別下，PostgreSQL 是不允許出現(xiàn)幻讀的。這個(gè)也可以看出 PostgreSQL 的隔離級(jí)別比 SQL 標(biāo)準(zhǔn)有更高要求的保障。

PostgreSQL 的一些數(shù)據(jù)類型和函數(shù)對(duì)事務(wù)有特殊的規(guī)則，比如 sequence 的修改對(duì)其他事務(wù)立即可見，即使修改 sequence 的事務(wù)回滾，sequence 的修改也不能回滾。

2.MVCC 原理

我們知道，在 MySQL 中，InnoDB 采用聚簇索引保存數(shù)據(jù)，MVCC 則通過數(shù)據(jù)的版本鏈來實(shí)現(xiàn)，版本鏈中舊版本的數(shù)據(jù)保存在 Undo Log，數(shù)據(jù)表中只保留最新版本的數(shù)據(jù)。

PostgreSQL 采用堆表存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，MVCC 實(shí)現(xiàn)機(jī)制也有所不同。當(dāng)數(shù)據(jù)被修改時(shí)，舊版本的數(shù)據(jù)仍然保存在數(shù)據(jù)表中，新版本的數(shù)據(jù)作為新的行插入。通過在每行數(shù)據(jù)中額外維護(hù)版本相關(guān)字段，實(shí)現(xiàn) MVCC。

2.1 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

在 PostgreSQL 的堆表結(jié)構(gòu)中，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元是 tuple（元組）。我們可以把每個(gè) tuple 比作一行數(shù)據(jù)的一個(gè)版本，結(jié)構(gòu)如下：

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在用戶數(shù)據(jù)之前，會(huì)增加 8 個(gè)字段，其中 null bitmap 和 object ID 是可選，就是說會(huì)固定有 23 個(gè)字節(jié)。

• t_xmin：最小事務(wù) id，也就是插入這一行數(shù)據(jù)的事務(wù) id。
• t_xmax：最大事務(wù) id，也就是刪除這一行數(shù)據(jù)的事務(wù) id。
• t_cid：CommandId，用于記錄插入或刪除操作是事務(wù)中的第幾條命令。
• t_xvac：事務(wù) id，用來記錄 VACUUM 移動(dòng)行的版本。
• t_ctid：數(shù)據(jù)指針，指向事務(wù)對(duì)此行數(shù)據(jù)修改的當(dāng)前版本或者更新的版本。結(jié)構(gòu)為（頁號(hào), 行偏移），例如 (0,1) 表示第 0 頁的第 1 行。
• t_infomask2：表中字段數(shù)量和各種標(biāo)志位。
• t_infomask：各種標(biāo)志位。
• t_hoff：記錄用戶數(shù)據(jù)的偏移量。

• null bitmap：記錄表中的空值，只有 HEAP_HASNULL 標(biāo)識(shí)被設(shè)置在 t_infomask，null bitmap 才會(huì)有值。如果有值，則為表中每個(gè)字段分配一個(gè) bit（1 代表非空，0 代表空），也就是說這里定義的 bit 的數(shù)量等于 t_infomask2 定義的字段數(shù)量。如果 null bitmap 沒有值，則表中所有字段都是非空。
• object ID：兼容老版本，記錄 OID（每個(gè)表、索引、視圖、函數(shù)、類型等都會(huì)被分配一個(gè)唯一的 OID）。如果 HEAP_HASOID_OLD 標(biāo)識(shí)被設(shè)置在 t_infomask，則 object ID 就會(huì)有值。

2.2 更新操作

下面我們看一下 PostgreSQL 存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的使用。首先我們執(zhí)行一條插入 SQL：

insert into tb_test(id, name) value(1, 'jam');

這條 SQL 執(zhí)行的事務(wù) xid=10，執(zhí)行這個(gè)事務(wù)后，插入一條 tuple，記為 tuple1, tuple1 的值是 [t_xmin:10, t_xmax:0, t_cid:0, t_ctid: (0,1)]

• t_xmin：10，插入這個(gè) tuple 的事務(wù) xid=10。
• t_xmax：0，這行數(shù)據(jù)未被刪除。
• t_cid：0，事務(wù) xid=10 這個(gè)事務(wù)的第一個(gè) SQL 命令。
• t_ctid：設(shè)置為 (0,1)，指向自身，因?yàn)檫@是該 tuple 的最新版本。

接著，我們執(zhí)行第二個(gè)事務(wù) xid=11，里面包含一條更新語句。

update tb_test set name = 'tom' where id = 1；

這條 SQL 更新這條數(shù)據(jù)的 name 為 tom，這時(shí)需要插入一條新的 tuple，記為 tuple2，tuple2 的值是 [t_xmin:11, t_xmax:0, t_cid:0, t_ctid: (0,2)]

• t_xmin：11，插入這個(gè) tuple 的事務(wù) xid=11。
• t_xmax：0，這行數(shù)據(jù)未被刪除。
• t_cid：0，事務(wù) id xid=11 這個(gè)事務(wù)的第 1 個(gè) SQL 命令。
• t_ctid：設(shè)置為 (0,2)，指向自身。

這時(shí) tuple1 會(huì)變成 [t_xmin:10, t_xmax:11, t_cid:0, t_ctid: (0,2)]

• t_xmax：11，這個(gè) tuple 被 xid=11 這個(gè)事務(wù)邏輯刪除。
• t_ctid：設(shè)置為 (0,2)，指向 tuple2。

接著再執(zhí)行第三個(gè)事務(wù) xid=12，里面包含一條刪除語句：

delete from tb_test where id = 1；

這條 SQL 刪除了 id=1 的這條數(shù)據(jù)，這時(shí) tuple2 變成 [t_xmin:11, t_xmax:12, t_cid:0, t_ctid: (0,2)]

• t_xmin：11，插入個(gè) tuple 的事務(wù) xid=11。
• t_xmax：12，這行數(shù)據(jù)被 xid=12 這個(gè)事務(wù)刪除。
• t_cid：0，事務(wù) id 等于 xid=12 這個(gè)事務(wù)的第 1 個(gè) SQL 命令。
• t_ctid：(0,2)，指向自身。

整個(gè)過程如下圖：

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2.3 可見性

當(dāng)隔離級(jí)別是 Read committed 時(shí)，判斷 tuple 對(duì)一個(gè)事務(wù) x 是否可見，需要滿足下面條件：

1. 創(chuàng)建這個(gè) tuple 的事務(wù)在事務(wù) x 中查詢語句執(zhí)行之前已經(jīng)提交；
2. 刪除這個(gè) tuple 的事務(wù)在事務(wù) x 中查詢語句執(zhí)行之前未提交或者已經(jīng)回滾；
3. 事務(wù) x 創(chuàng)建的 tuple，未提交也能看到。

當(dāng)隔離級(jí)別是 Repeatable Read 時(shí)，可見性需要滿足創(chuàng)建這個(gè) tuple 的事務(wù)在事務(wù) x 開始之前已經(jīng)提交。事務(wù) x 開始后，即使這個(gè) tuple 被其他事務(wù)修改或刪除，這些變化對(duì)事務(wù) x 也是不可見的。

3.總結(jié)

PostgreSQL 基于數(shù)據(jù)庫表存儲(chǔ)歷史版本的方式實(shí)現(xiàn)了 MVCC，這種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是讀取歷史版本更加方便，不用像 MySQL 那樣依賴額外的 Undo Log 存儲(chǔ)。缺點(diǎn)是在高并發(fā)的場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)庫表會(huì)保存大量的過期 tuple（dead tuples），可能會(huì)導(dǎo)致表膨脹。

PostgreSQL 使用 VACUUM 機(jī)制清理過期的 tuple 數(shù)據(jù)，步驟包括識(shí)別過期 tuple、清理過期 tuple、標(biāo)記過期 tuple 空間可重用、更新系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息。