聲明：本文是《PostgreSQL實(shí)戰(zhàn)》讀書筆記，參考了http://www.jasongj.com/sql/mvcc/ 部分，可以參考該書事務(wù)與并發(fā)控制章節(jié) 和 http://www.jasongj.com/sql/mvcc/

PostgreSQL如何實(shí)現(xiàn)MVCC (基于xmin、xmax、cmin、cmax)

一、基于多版本的并發(fā)控制

在PostgreSQL中，會(huì)為每一個(gè)事務(wù)分配一個(gè)遞增的、類型為int32的整型數(shù)作為唯一的一個(gè)ID，稱為xid。可通過txid_current()函數(shù)獲取當(dāng)前事務(wù)的ID。PostgreSQL中，對于每一行數(shù)據(jù)（稱為一個(gè)tuple），包含有4個(gè)隱藏字段，分別是xmin、xmax、cmin、cmax。這四個(gè)字段是隱藏的，但可直接訪問。創(chuàng)建一個(gè)快照時(shí)，將收集當(dāng)前正在執(zhí)行的事務(wù)id 和 已經(jīng)提交的最大事務(wù)id, 根據(jù)快照信息，PostgreSQL可以確定事務(wù)的操作是否對執(zhí)行語句是可見的 。

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cmin和 cmax 分別是插入和刪除該元組的命令在事務(wù)中的命令標(biāo)識。( xmin: 在創(chuàng)建（insert）記錄（tuple）時(shí)，記錄此值為插入tuple的事務(wù)ID; xmax: 默認(rèn)值為0.在刪除tuple時(shí)，記錄此值)

測試表準(zhǔn)備：

create table tb_mvcc(id int PRIMARY KEY,ival int ); insert into tb_mvcc values(1,1);

啟動(dòng)psql

[root@instance-o5o8g5v0 ~]# su postgres bash-4.2$ psql technology postgres could not change directory to "/root" psql (9.2.24, server 10.8) WARNING: psql version 9.2, server version 10.0.Some psql features might not work. Type "help" for help. technology=#

可以通過sql直接查詢四個(gè)值

technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,cmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 1;xmin | xmax | cmin | cmax | id | ival ------+------+------+------+----+------630 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 (1 row)

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二、 通過xmin決定事務(wù)的可見性

當(dāng)插入一行數(shù)據(jù)時(shí)，PostgreSQL會(huì)將插入這行數(shù)據(jù)的事務(wù)的xid存儲(chǔ)在xmin中。通過xmin值判斷事務(wù)中插入的行記錄對其他事務(wù)的可見性有兩種情況

(一)由回滾的事務(wù)或未提交的事務(wù)創(chuàng)建的行對于任何其他事務(wù)都是不可見的。
開啟一個(gè)新的事務(wù)，如下所示：

technology=# begin; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------631 (1 row)technology=# INSERT INTO tb_mvcc(id,ival) VALUES(2,2); INSERT 0 1 technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 2;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------631 | 0 | 0 | 0 | 2 | 2 (1 row)

SELECT txid_current();查詢當(dāng)事務(wù)的xid是631。可以看到這條新數(shù)據(jù)的隱藏列xmin 值為631。

開啟另外一個(gè)事務(wù)，如下所示：

technology=# BEGIN; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------632 (1 row)technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 2;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------ (0 rows)technology=# END; COMMIT

可以看見由于第一個(gè)事務(wù)并未提交，所以第一個(gè)事務(wù)對第二個(gè)事務(wù)是不可見的。

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（二）無論提交成功或回滾的事務(wù)，xid 都會(huì)遞增，對于repeatable read 和 serializable 隔離級別的事務(wù)，如果它的xid 小于另外一個(gè)事務(wù)的xid 。也就是xmin小于另外一個(gè)事務(wù)的xmin，那么另外一個(gè)事務(wù)對這個(gè)事務(wù)是不可見的。而read committed 則不會(huì)

注意在 read committed（對已提交）： PostgreSQL的默認(rèn)隔離級別，它滿足了一個(gè)事務(wù)只能看見已經(jīng)提交事務(wù)對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)所做的改變的隔離需求。 該隔離級別可能出現(xiàn) 不可重復(fù)讀 和 幻讀。 演示一下：

不可重復(fù)讀 ： 當(dāng)一個(gè)事務(wù)第一次讀取數(shù)據(jù)之后，被讀取的數(shù)據(jù)被另一個(gè)已經(jīng)提交的事務(wù)進(jìn)行了修改，事務(wù)再次讀取這些數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被另一個(gè)事務(wù)修改，兩次查詢的結(jié)果不一致，這種讀現(xiàn)象稱為不可重復(fù)讀。

設(shè)置一個(gè) read committed 對已提交隔離級別，

technology=# begin transaction isolation level read committed; BEGIN technology=# SELECT ival FROM tb_mvcc WHERE id = 1;id | ival ----+------1 | 1 (1 row)

另外一個(gè)事務(wù)對id=1 的進(jìn)行修改，并commit

technology=# BEGIN; BEGIN technology=# update tb_mvcc set ival = 11 where id = 1; UPDATE 1 technology=# commit;

在從第一個(gè)事務(wù)進(jìn)行讀取時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，即在同一個(gè)事務(wù)中兩次讀取結(jié)果不一致。發(fā)現(xiàn)ival 被修改成了11

technology=# SELECT id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 1; id | ival ----+------1 | 11 (1 row)

完整信息如下所示：

technology=# begin transaction isolation level read committed; BEGIN technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 1;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------630 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 (1 row)technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 1;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------635 | 0 | 0 | 0 | 1 | 11 (1 row)technology=# END; COMMIT

另外read committed 還可能出現(xiàn)幻讀。

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驗(yàn)證一下，repeatable read 和 serializable 隔離級別的事務(wù):

technology=# begin transaction isolation level repeatable read; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------636 (1 row)

上面語句開啟repeatable read重復(fù)讀隔離級別的一個(gè)事務(wù)，這個(gè)事務(wù)的xid是636。再開啟另外一個(gè)事務(wù)，如下所示：

technology=# BEGIN; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------637 (1 row)technology=# INSERT INTO tb_mvcc(id,ival) VALUES(4,4); INSERT 0 1 technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 4;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------637 | 0 | 0 | 0 | 4 | 4 (1 row)technology=# COMMIT; COMMIT

第二個(gè)事務(wù)的xid 是637。并在第二個(gè)事務(wù)中插入一條數(shù)據(jù)，并成功commit。 然后再回到第一個(gè)事務(wù)中查詢第二個(gè)數(shù)據(jù)提交的數(shù)據(jù)。如下所示：

technology=# SELECT xmin,xmax,cmin,xmax,id,ival FROM tb_mvcc WHERE id = 4;xmin | xmax | cmin | xmax | id | ival ------+------+------+------+----+------ (0 rows)

由于第一個(gè)事務(wù)的xid小于第二個(gè)事務(wù)的xid。所以插入的數(shù)據(jù)在第一個(gè)事務(wù)中不可見。正好跟read committed 事務(wù)隔離級別形成對比

PostgreSQL 的事務(wù)隔離級別與讀現(xiàn)象的關(guān)系

隔離級別臟讀不可重復(fù)讀幻讀序列化異常

Read Uncommitted	不可能	可能	可能	可能
Read Committed	不可能	可能	可能	可能
Repeatable Read	不可能	不可能	不可能	可能
Serializable	不可能	不可能	不可能	不可能

postgresql內(nèi)部將 Read uncommitted與Read Committed 設(shè)計(jì)成一樣。也就是postgresql數(shù)據(jù)庫中不會(huì)出現(xiàn)臟讀。（可能會(huì)出現(xiàn)不可重復(fù)讀和幻讀）。而postgresql的Repeatable Read 實(shí)現(xiàn)不允許幻讀。 這種隔離級別與其他數(shù)據(jù)庫定義隔離級別稍有不同。

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三、通過xmax 決定事務(wù)的可見性

如果沒有設(shè)置xmax值，該行對其他事務(wù)總是可見的。

如果它被設(shè)置為回滾事務(wù)的xid，該行對其他事務(wù)可見

如果它被設(shè)置成為一個(gè)正在運(yùn)行，滅有commit 和 rollback的事務(wù)xid。該行對其他事務(wù)是可見的。

如果它被設(shè)置為一個(gè)已經(jīng)提交的事務(wù)的xid。該行對在這個(gè)已提交的事務(wù)之后發(fā)起的所有事務(wù)都是不可見的。

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四、通過pageinspect 觀察 MVCC

可以使用pageinspect 這個(gè)外部擴(kuò)展來觀察數(shù)據(jù)庫頁面的內(nèi)容。pageinspect 提供了一些函數(shù)可以得到數(shù)據(jù)庫的文件系統(tǒng)中頁面的詳細(xì)內(nèi)容，使用之前先在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建擴(kuò)展：

technology=# create extension pageinspect; CREATE EXTENSION technology=# \dx+ pageinspectObjects in extension "pageinspect"Object Description -------------------------------------------------------------------function brin_metapage_info(bytea) …… (26 rows)

創(chuàng)建如下視圖，為了更清楚的觀察PostgreSQL的MVCC是如何控制并發(fā)時(shí)得多版本的。

DROP VIEW IF EXISTS v_pageinspect; CREATE VIEW v_pageinspect AS (SELECT '(0,' || lp || ')' AS ctid,CASE lp_flagsWHEN 0 THEN 'unsed'WHEN 1 THEN 'normal'WHEN 2 THEN 'redirect to ' || lp_offWHEN 3 THEN 'dead'END,t_xmin::text::int8 AS xmin,t_xmax::text::int8 AS xmax,t_ctid FROM heap_page_items(get_raw_page('tb_mvcc',0))) ORDER BY lp;

對表tb_mcc 清空數(shù)據(jù)操作： TRUNCATE TABLE tb_mvcc; 注意關(guān)閉所有的事務(wù)，否則會(huì)刪除失敗。別用delete,不然v_pageinspect 不能清除。
不考慮并發(fā)的情況：當(dāng)insert 數(shù)據(jù)時(shí)，事務(wù)將insert 的數(shù)據(jù)的xmin值設(shè)置為當(dāng)前事務(wù)的xid，xmax設(shè)置為0。

technology=# begin; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------648 (1 row)technology=# INSERT INTO tb_mvcc(id,ival) values(1,1); INSERT 0 1 technology=# SELECT * FROM v_pageinspect;ctid | case | xmin | xmax | t_ctid -------+--------+------+------+--------(0,1) | normal | 648 | 0 | (0,1) (1 row)technology=# END; COMMIT

在另外一個(gè)事務(wù)中，delete數(shù)據(jù)時(shí)，將xmax 的值設(shè)置為當(dāng)前事務(wù)的xid。 如所示：

technology=# BEGIN; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------649 (1 row)technology=# DELETE FROM tb_mvcc WHERE id = 1; DELETE 1 technology=# SELECT * FROM v_pageinspect;ctid | case | xmin | xmax | t_ctid -------+--------+------+------+--------(0,1) | normal | 648 | 649 | (0,1) (1 row)

當(dāng)UPDATE 數(shù)據(jù)時(shí)，對于每個(gè)更新的行，首先DELTE原先行，再執(zhí)行INSERT。如下所示：

INSERT INTO tb_mvcc(id,ival) values(2,2); -- 預(yù)先插入數(shù)據(jù) technology=# BEGIN; BEGIN technology=# SELECT txid_current();txid_current --------------661 (1 row) -- 當(dāng)前事務(wù)xid 661 technology=# SELECT * FROM tb_mvcc;id | ival ----+------2 | 2 (1 row)technology=# SELECT * FROM v_pageinspect;ctid | case | xmin | xmax | t_ctid -------+--------+------+------+--------(0,1) | normal | 660 | 0 | (0,1) (1 row)technology=# UPDATE tb_mvcc SET ival = 20 WHERE id = 2; UPDATE 1 technology=# SELECT * FROM v_pageinspect;ctid | case | xmin | xmax | t_ctid -------+--------+------+------+--------(0,1) | normal | 660 | 661 | (0,2)(0,2) | normal | 661 | 0 | (0,2) (2 rows)

通過pageinspect 查看page的內(nèi)部，可以看見update 實(shí)際上是先delete 先前的數(shù)據(jù)（可以看前一個(gè)例子），再insert 一行新的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中就存在兩個(gè)版本，一個(gè)是被update 之前的那條數(shù)據(jù)，另外一個(gè)是update之后被重新插入的那條數(shù)據(jù)。

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五、其他

5.1 MVCC保證原子性

原子性（Atomicity）指得是一個(gè)事務(wù)是一個(gè)不可分割的工作單位，事務(wù)中包括的所有操作要么都做，要么都不做。

對于插入操作，PostgreSQL會(huì)將當(dāng)前事務(wù)ID存于xmin中。對于刪除操作，其事務(wù)ID會(huì)存于xmax中。對于更新操作，PostgreSQL會(huì)將當(dāng)前事務(wù)ID存于舊數(shù)據(jù)的xmax中，并存于新數(shù)據(jù)的xin中。換句話說，事務(wù)對增、刪和改所操作的數(shù)據(jù)上都留有其事務(wù)ID，可以很方便的提交該批操作或者完全撤銷操作，從而實(shí)現(xiàn)了事務(wù)的原子性。

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5.2 PostgreSQL中的MVCC優(yōu)勢

• 使用MVCC，讀操作不會(huì)阻塞寫，寫操作也不會(huì)阻塞讀，提高了并發(fā)訪問下的性能
• 事務(wù)的回滾可立即完成，無論事務(wù)進(jìn)行了多少操作
• 數(shù)據(jù)可以進(jìn)行大量更新，不像MySQL和Innodb引擎和Oracle那樣需要保證回滾段不會(huì)被耗盡

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5.3 PostgreSQL中的MVCC缺點(diǎn)

事務(wù)ID個(gè)數(shù)有限制
事務(wù)ID由32位數(shù)保存，而事務(wù)ID遞增，當(dāng)事務(wù)ID用完時(shí)，會(huì)出現(xiàn)wraparound問題。

PostgreSQL通過VACUUM機(jī)制來解決該問題。對于事務(wù)ID，PostgreSQL有三個(gè)事務(wù)ID有特殊意義：

• 0代表invalid事務(wù)號
• 1代表bootstrap事務(wù)號
• 2代表frozon事務(wù)。frozon transaction id比任何事務(wù)都要老

可用的有效最小事務(wù)ID為3。VACUUM時(shí)將所有已提交的事務(wù)ID均設(shè)置為2，即frozon。之后所有的事務(wù)都比frozon事務(wù)新，因此VACUUM之前的所有已提交的數(shù)據(jù)都對之后的事務(wù)可見。PostgreSQL通過這種方式實(shí)現(xiàn)了事務(wù)ID的循環(huán)利用。

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5.4 大量過期數(shù)據(jù)占用磁盤并降低查詢性能

由于上文提到的，PostgreSQL更新數(shù)據(jù)并非真正更改記錄值，而是通過將舊數(shù)據(jù)標(biāo)記為刪除，再插入新的數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。對于更新或刪除頻繁的表，會(huì)累積大量過期數(shù)據(jù)，占用大量磁盤，并且由于需要掃描更多數(shù)據(jù)，使得查詢性能降低。

PostgreSQL解決該問題的方式也是VACUUM機(jī)制。從釋放磁盤的角度，VACUUM分為兩種

VACUUM: 該操作并不要求獲得排它鎖，因此它可以和其它的讀寫表操作并行進(jìn)行。同時(shí)它只是簡單的將dead tuple對應(yīng)的磁盤空間標(biāo)記為可用狀態(tài)，新的數(shù)據(jù)可以重用這部分磁盤空間。但是這部分磁盤并不會(huì)被真正釋放，也即不會(huì)被交還給操作系統(tǒng)，因此不能被系統(tǒng)中其它程序所使用，并且可能會(huì)產(chǎn)生磁盤碎片。

VACUUM FULL :需要獲得排它鎖，它通過“標(biāo)記-復(fù)制”的方式將所有有效數(shù)據(jù)（非dead tuple）復(fù)制到新的磁盤文件中，并將原數(shù)據(jù)文件全部刪除，并將未使用的磁盤空間還給操作系統(tǒng)，因此系統(tǒng)中其它進(jìn)程可使用該空間，并且不會(huì)因此產(chǎn)生磁盤碎片。

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參考

• 《PostgreSQL實(shí)戰(zhàn)》
• http://www.jasongj.com/sql/mvcc/
• https://blog.csdn.net/qq_31156277/article/details/84310746

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的PostgreSQL如何实现MVCC (基于xmin、xmax、cmin、cmax)的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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