PostgreSQL技术内幕11：PostgreSQL事务原理解析-MVCC
0.简介
本文主要介绍在事务模块中MVCC(多版本并发控制）常见的实现方式，优缺点以及PG事务模块中MVCC（多版本并发控制）的实现。
1.MVCC介绍
MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）是一种用于数据库管理系统中的并发控制的方法。在传统的并发控制中，常用的简单方式是通过加锁来保证某一时刻数据只被一个事务修改，但这种方式可能会带来并发度的下降，尤其在高并发场景下，很可能导致性能瓶颈。MVCC主要通过维护数据的多个版本来解决传统锁机制的一些局限性，每个事务可以看到一个特定版本，从而使得读写操作可以互不干扰地执行，其核心在于，对于每个修改，不直接在原始数据上修改，而是创建一个新的数据版本来做修改，其他事务依然可以访问旧的数据，以此来提高并发度。当然MVCC也有其局限性，比如在高并发场景下可能因为多个版本导致占用较高内存。
2.MVCC常见的实现方式
MVCC常见的实现方式有两种：
1）修改旧数据前备份，在写新的数据时，把旧的数据备份到单独的一块空间，其他事务读取数据时，可以在备份空间中获取，比如MySQL innodb引擎的回滚段。
2）新数据不直接修改，而是采用插入的方式。
以上两种方式，功能上都能实现MVCC，都需要占用一定的空间，两者相比较，二的事务回滚更为方便，不会出现备份空间用尽的问题；一的话清理上会更为简单，不会导致数据扫描使得读数据增加。PG采用的是二，即采用插入方式实现的MVCC。
3.PG的MVCC实现
3.1 可见性判断
MVCC的实现，首先要有版本的概念，下面来看PG中的定义，然后以一个实际的例子来分析可见性的判断，定义如下：
typedef struct HeapTupleFields
{
TransactionId t_xmin; /* inserting xact ID */
TransactionId t_xmax; /* deleting or locking xact ID */
union
{
CommandId t_cid; /* inserting or deleting command ID, or both */
TransactionId t_xvac; /* old-style VACUUM FULL xact ID */
} t_field3;
} HeapTupleFields;
struct HeapTupleHeaderData
{
union
{
HeapTupleFields t_heap;
DatumTupleFields t_datum;
} t_choice;
ItemPointerData t_ctid; /* current TID of this or newer tuple (or a
* speculative insertion token) */
....
}
可以看到，在上面代码结构中，每个元组头部存储事务的t_xmin(数据插入的事务id），t_xmax(数据删除或更新的事务id）如果为0则表示还未被删除和更新，这两个值一旦被设计就不会再次变化。
下面通过一个例子来看一个更新操作的修改以及可见性的判断。
上述描述了向当前表插入了一条数据的过程，初始a=2,b=2的记录是由事务id为10的事务插入，xmax为0即还没被删除或更新；然后执行update语句，将a的值设置为6，xmax的值更新为11（表示由id为11的事务删除），同时新增一条记录（不在原记录修改），此时虽然有两条数据，但其实应该只有一条，所以需要根据事务的快照和提交的记录来进行判断，也就是可见性的判断。
在PG中，是用snapshot来获取那些事务正在执行，通过snapshot来区分事务是正在执行还是已经完成了，如果事务尚未完成，那么事务的更新和写入对其他事务来说是不可见的。snapshot数据结构如下：
typedef struct SnapshotData
{
SnapshotSatisfiesFunc satisfies; /* tuple test function */
TransactionId xmin; /* all XID < xmin are visible to me */
TransactionId xmax; /* all XID >= xmax are invisible to me */
TransactionId *xip;
uint32 xcnt; /* # of xact ids in xip[] */
TransactionId *subxip;
int32 subxcnt; /* # of xact ids in subxip[] */
bool suboverflowed; /* has the subxip array overflowed? */
bool takenDuringRecovery; /* recovery-shaped snapshot? */
bool copied; /* false if it's a static snapshot */
CommandId curcid; /* in my xact, CID < curcid are visible */
uint32 speculativeToken;
uint32 active_count; /* refcount on ActiveSnapshot stack */
uint32 regd_count; /* refcount on RegisteredSnapshots */
pairingheap_node ph_node; /* link in the RegisteredSnapshots heap */
TimestampTz whenTaken; /* timestamp when snapshot was taken */
XLogRecPtr lsn; /* position in the WAL stream when taken */
} SnapshotData;
其中所有XID<xmin（已完成的）的事务都可见，所有XID>xmax的事务都不可见，而介于xmin和xmax之间的事务可能已完成也可能进行中，所以需要一个数组来存储（xip），如果在xmin和xmax之间的事务id在这个数组被发现，说明事务正在进行且尚未完成，不可见。
获取数据时，会先根据snapshot来判断事务是否已完成，如果未完成，则不可见，对于已完成的需要判断时提交还是取消，查询clog来进行判断。这里还有个性能优化，就是使用tuple中标志位来进行判断，减少clog查询。
3.2 提交/取消
在PG中，一个事务最终状态可能有两种：Commit/Abort。
1）Commit：提交时会写WAL和CLOG，提交后对于其他事务可见。
2）Abort: abort时会写WAL和CLOG，abort后对于其他事务不可见。
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