為了解決讀寫沖突，數(shù)據(jù)庫提供了多種手段，比如表級和行級鎖。而為了進一步提升并發(fā)性能，引入了 MVCC（多版本并發(fā)控制）。今天來聊一聊 PostgreSQL 的 MVCC 是怎樣實現(xiàn)的。

1.隔離級別

1.1 四類問題

使用數(shù)據(jù)庫時，事務的并發(fā)常常會遇到四類問題：

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

1.2 隔離級別

針對臟讀、幻讀、不可重復讀的問題，數(shù)據(jù)庫引入了 4 種標準隔離級別：

• 串行化（Serializable）：事務對數(shù)據(jù)讀寫都是串行化的。
• 可重復讀（Repeatable Read）：事務執(zhí)行過程中，多次讀取同一行數(shù)據(jù)，讀取結果一致。
• 讀已提交數(shù)據(jù)（Read Committed）：事務執(zhí)行過程中，如果有其他事務修改了數(shù)據(jù)并且提交事務，當前事務可以讀取到最新提交的數(shù)據(jù)。
• 讀未提交數(shù)據(jù)（Read Uncommitted）：事務執(zhí)行過程中，可以讀取到其他事務未提交的數(shù)據(jù)。

在多數(shù)數(shù)據(jù)庫中，我們可以使用四個標準事務隔離級別中的任何一個。 但其實 PostgreSQL 內(nèi)部只實現(xiàn)了三個不同的隔離級別，PostgreSQL 的 Read Uncommitted 級別跟 Read Committed 類似。這是將標準隔離級別映射到 PostgreSQL 的 MVCC 架構的唯一合理方法。如下表格：

這個表格也可以看出，在 Repeatable read 這個隔離級別下，PostgreSQL 是不允許出現(xiàn)幻讀的。這個也可以看出 PostgreSQL 的隔離級別比 SQL 標準有更高要求的保障。

PostgreSQL 的一些數(shù)據(jù)類型和函數(shù)對事務有特殊的規(guī)則，比如 sequence 的修改對其他事務立即可見，即使修改 sequence 的事務回滾，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 采用堆表存儲數(shù)據(jù)，MVCC 實現(xiàn)機制也有所不同。當數(shù)據(jù)被修改時，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)中額外維護版本相關字段，實現(xiàn) MVCC。

2.1 存儲結構

在 PostgreSQL 的堆表結構中，存儲數(shù)據(jù)的單元是 tuple（元組）。我們可以把每個 tuple 比作一行數(shù)據(jù)的一個版本，結構如下：

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

• t_xmin：最小事務 id，也就是插入這一行數(shù)據(jù)的事務 id。
• t_xmax：最大事務 id，也就是刪除這一行數(shù)據(jù)的事務 id。
• t_cid：CommandId，用于記錄插入或刪除操作是事務中的第幾條命令。
• t_xvac：事務 id，用來記錄 VACUUM 移動行的版本。
• t_ctid：數(shù)據(jù)指針，指向事務對此行數(shù)據(jù)修改的當前版本或者更新的版本。結構為（頁號, 行偏移），例如 (0,1) 表示第 0 頁的第 1 行。
• t_infomask2：表中字段數(shù)量和各種標志位。
• t_infomask：各種標志位。
• 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 標識被設置在 t_infomask，null bitmap 才會有值。如果有值，則為表中每個字段分配一個 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（每個表、索引、視圖、函數(shù)、類型等都會被分配一個唯一的 OID）。如果 HEAP_HASOID_OLD 標識被設置在 t_infomask，則 object ID 就會有值。

2.2 更新操作

下面我們看一下 PostgreSQL 存儲結構的使用。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 xid=10，執(zhí)行這個事務后，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 tuple 的事務 xid=10。
• t_xmax：0，這行數(shù)據(jù)未被刪除。
• t_cid：0，事務 xid=10 這個事務的第一個 SQL 命令。
• t_ctid：設置為 (0,1)，指向自身，因為這是該 tuple 的最新版本。

接著，我們執(zhí)行第二個事務 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 tuple 的事務 xid=11。
• t_xmax：0，這行數(shù)據(jù)未被刪除。
• t_cid：0，事務 id xid=11 這個事務的第 1 個 SQL 命令。
• t_ctid：設置為 (0,2)，指向自身。

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

• t_xmax：11，這個 tuple 被 xid=11 這個事務邏輯刪除。
• t_ctid：設置為 (0,2)，指向 tuple2。

接著再執(zhí)行第三個事務 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 tuple2 變成 [t_xmin:11, t_xmax:12, t_cid:0, t_ctid: (0,2)]

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

整個過程如下圖：

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2.3 可見性

當隔離級別是 Read committed 時，判斷 tuple 對一個事務 x 是否可見，需要滿足下面條件：

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

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

3.總結

PostgreSQL 基于數(shù)據(jù)庫表存儲歷史版本的方式實現(xiàn)了 MVCC，這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點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。缺點是在高并發(fā)的場景下，數(shù)據(jù)庫表會保存大量的過期 tuple（dead tuples），可能會導致表膨脹。

PostgreSQL 使用 VACUUM 機制清理過期的 tuple 數(shù)據(jù)，步驟包括識別過期 tuple、清理過期 tuple、標記過期 tuple 空間可重用、更新系統(tǒng)統(tǒng)計信息。