PostgreSQL的MVCC vs InnoDB的MVCC

PostgreSQL的MVCC vs InnoDB的MVCC

任何一个数据库最主要功能之一是可扩展。如果不删除彼此，则尽可能较少锁竞争从而达到这个目的。由于read、write、update、delete是数据库中最主要且频繁进行的操作，所以并发执行这些操作时不被阻塞则显得非常重要。为了达到这种目的，大部分数据库使用多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control）这种并发模型。这种模型能够将竞争减少到最低限度。

MVCC是什么

Multi Version Concurrency Control ( MVCC)是这样的一种算法：通过对同一个对象维护多个版本，提供一种很好的并发控制技术，这种技术能够使READ和WRITE操作不发生冲突。这里的WRITE指的是UPDATE和DELETE，不包含Insert是因为新插入的记录可以通过各自的隔离级别进行保护。每个WRITE操作使对象产生一个新版本，每个并发读操作依赖于隔离级别读取对象不同的版本。由于READ和WRITE操作同一个对象的不同版本，所以这些操作不需要将对象完全锁住，因此这些操作能够并发执行。当然当两个并发事务WRITE同一个记录时，这些锁竞争还是会存在的。

当前大部分数据库系统都支持MVCC。这个算法的核心是对相同对象维护不同版本，因此不同数据库创建并维护多版本的方式不同，其实现方式也不同。相应地，数据库操作和数据存储也发生变化。

实现MVCC最常见的方法：PostgreSQL使用的方法、InnoDB和Oracle的使用方法。下面我们会详细讨论PG和InnoDB的实现方式。

PostgreSQL中的MVCC

为了支持多版本，PG对每个对象（PG术语：Tuple）增加了额外的字段：

1、xmin：进行插入或更新操作事务的事务ID。UPDATE中，对tuple的新版本分配该事务ID。

2、xmax：进行删除或更新操作事务的事务ID。UPDATE中，对当前存在的tuple分配该事务ID。新创建的tuple，该字段默认为null。

PostgreSQL将所有数据存储在HEAP中（每页默认8KB）。新记录的xmin为创建该记录的事务的事务ID；老版本（进行update或delete）其xmax为进行操作的事务的ID。会有一个链表将老版本和新版本连接起来。在回滚的过程中，老版本记录可以被重用；依赖于隔离级别，READ语句读取一个老版本记录进行返回。

例如下面两条记录：T1（值为1）、T2（值为2），通过下面3步对记录的创建进行演示：

从图中可以看出，数据库中初始时存在两个记录：1和2。

第二步，将2更新为3。此时创建一个新值，并存放到同一个存储区域的下一个位置。老版本2为其xmax分配该事务的ID，并且指向最新的版本记录。

同理，第三步，当T1被删除时，对记录进行虚拟删除（为其xmax分配当前事务ID），该操作不存在创建新记录版本。

下面，通过实例讲解每个操作如何创建多版本，不用加锁如何实现事务的隔离级别。下面例子中使用默认隔离级别“READ COMMITTED”。

INSERT

每次insert一个记录，都会新创建一个tuple并将其存储到表文件的页中。

可以看到：

1、Session-A开启一个事务，其事务ID为495

2、Session-B开启一个事务，其事务ID为496

3、Session-A插入一个tuple，存储到HEAP

4、新tuple的xmin为495，而xmax为null

5、由于Session-A的事务没有提交，session-B看不到第3步插入的值

6、Session-A提交

7、都可以看到新插入的tuple

UPDATE

PostgreSQL的UPDATE不是“IN-PLACE”更新，不会将现有对象更新替换为新值，而是新创建一个新对象。因此UPDATE涉及以下几步：

1、将当前对象标记为deleted

2、插入对象的一个新版本

3、将对象的老版本指向新版本

因此，即使许多记录保持不变，HEAP也会占用空间，就像新插入另一个记录一样。

如上所示：

1、Session-A开启一个事务，其事务ID为497

2、Session-B开启一个事务，其事务ID为498

3、Session-A更新一个现有记录

4、Session-A可以看到tuple的最新版本而Session-B看到另一个老版本。Session-A看到新记录的xmin为497,xmax为null；Session-B看到老版本xmin是495，xmax为497即Session-A的事务ID。这两个tuple版本都存在HEAP中，如果空间允许甚至存在同一页中。

5、Session-A提交事务，老版本消失

6、现在所有会话都可以看到记录的同一个版本。

DELETE

DELETE操作和UPDATE类似，只是不会添加一个新版本。如UPDATE，只是将当前对象标记为已删除。

1、Session-A开启一个事务，事务ID为499

2、Session-B开启一个事务，事务ID为500

3、Session-A删除现有记录

4、Session-A看不到当前事务已删除的记录；Session-B看到老版本，其xmax为499，499的事务删除的该记录

5、Session-A提交事务，老版本记录消失

6、所有会话都看不到之前的老版本

可以看到，这些操作都不会直接删除现有记录，如果需要会添加一个附加版本。

我们来看看SELECT在多版本中怎么执行：依赖于隔离级别，SELECT需要读取tuple的所有版本直到找到合适的tuple。假设有一个tuple T1，被更新为新版本T1’，然后再被更新为T1’’：

1、SELECT操作进入这个表的heap中，首先检查T1，如果T1的xmax事务已提交，查找该tuple的下一个版本

2、T1’也被提交，查找下一个版本

3、]最后找到T1’’看到xmax未提交或者为null，然后T1’’的xmin可见，最后读取T1’’这个tuple。

可以看到需要遍历该tuple的3个版本才能找到合适的可见版本，直到VACUUM进程回收了打上delete标签的记录。

InnoDB中的MVCC

为了支持多版本，InnoDB对行记录又额外维护了几个字段：

1、DB_TRX_ID：插入或更新航记录的事务的事务ID

2、DB_ROLL_PTR：即回滚指针，指向回滚段中的undo log record

与PostgreSQL相比，InnoDB也会创建行记录的多版本，但是存储老版本的方式不同。

InnoDB将行记录的老版本存放到独立的表空间/存储空间（回滚段）。和PostgreSQL不同，InnoDB仅将行记录最新版本存储到表的表空间中，而将老版本存放到回滚段。回滚段中的undo log作用：用来进行回滚操作；依赖于隔离级别，进行多版本读，读取老版本。

例如，两行记录：T1（值为1），T2（值为2），可以通过下面3步说明新记录的创建过程：

从上图可以看到，初始时，表中有两条记录1和2。

第二阶段，行记录T2值2被更新为3。此时记录创建一个新版本并替代老版本。老版本存储到回滚段（注意，回滚段中的数据仅包含更改值，即delta value），同时新版本行记录中的回滚指针指向回滚段中的老版本。和PostgreSQL不同，InnoDB更新是“IN-PLACE”。

同理，第三步，删除T1然后将其标记为虚拟删除（仅在行记录指定的一个bit位上打上delete标签）并在回滚段中插入一个对应的新版本。同样回滚指针指向回滚段中undo log。

从表面上看，所有操作表象与PostgreSQL相同，只是多版本在内部存储方式不同。

MVCC：PostgreSQL vs InnoDB

下面分析PostgreSQL和InnoDB的MVCC主要不同在哪几方面：

1、老版本的大小

PostgreSQL仅更新tuple老版本的xmax，因此老版本的大小和相应插入的记录大小相同。这意味着，如果一个older tuple有3个版本，那么他们大小都相同（如果更新的值大小不同，每次更新时实际大小就不同）。

InnoDB的老版本存储到回滚段，且比对应的插入记录小，因为InnoDB仅将变化的值写到undo log。

2、INSERT操作

INSERT时，InnoDB会向回滚段写入额外的记录，而PostgreSQL仅在UPDATE中创建新版本。

3、回滚时恢复老版本

回滚时，PostgreSQL不用任何特定内容，需注意老版本的xmax等于update该记录的事务ID。因此在并发快照中该记录认为是alive的直到该事务ID的事务提交。

而InnoDB，一旦回滚，需要重新构造对象的老版本。

4、]回收老版本占用的空间

PG中，老版本占用的空间仅在没有并发快照使用时才可以被回收，此时被认为dead。然后VACCUM可以回收空间。VACCUM可以手动触发也可以依赖于配置在后台任务中触发。

InnoDB的undo log分为INSERT UNDO和UPDATE UNDO。事务提交后，就会立即释放INSERT UNDO。当没有其他并发快照使用时，才可以释放UPDATE UNDO。InnoDB没有显示VACUUM操作但是有类似的PURGE回收undo log。

5、延迟vacuum的影响

如前所示，PostgreSQL延迟vacuum存在很大影响。即使频繁执行delete，它将会引起表膨胀造成占用的存储空间暴增。这还会造成到达一个点后，需要执行一个高额代价的操作VACUUM FULL。

6、表膨胀时的顺序扫描

即使所有记录都是dead状态，PostgreSQL的顺序扫描也会扫描对象所有的老版本，直到执行vacuum将dead的记录删除。这是PG中常见且经常讨论的问题。主要PG将一个tuple的所有老版本都存储到同一个存储区域。

而InnoDB，除非需要，否则不需要读取undo log。如果所有undo记录都已失效，那么只需要读取所有对象的最新版本既可。

7、索引

PostgreSQL独立存储索引，并将索引连接到HEAP中的真实数据。因此即使没有更改索引，有时也需要更新索引。随后这个问题被HOT（Heap Only Tuple）解决，但是仍有限制，如果相同页空间不足，则退回到正常UPDATE操作。

InnoDB由于使用聚集索引，不会有这样的问题。

结论

PostgreSQL的MVCC有一些缺点，尤其是具有频繁UPDATE/DELETE负载时，会引起表膨胀。因此决定选择PG时，需要慎重配置VACUUM。

PG社区已经意识到这个问题，已经开始涉及基于undo的MVCC（暂命名为ZHEAP），我们在未来版本可以看到这个特性。

原文

https://severalnines.com/blog/comparing-data-stores-postgresql-mvcc-vs-innodb