数据库索引与 MVCC：原理、应用及事务隔离

1.什么时候不要使用索引？

在数据库设计和优化中，索引是提高查询性能的重要工具。然而，并不是所有情况下都适合使用索引。以下是一些不应该或不需要使用索引的情况：

小表：对于非常小的表（例如，只有几百行），扫描整个表可能比使用索引更快。因为索引本身也会占用存储空间，并且需要额外的时间来维护。

频繁更新的列：如果一个列上的数据经常被更新、插入或删除，那么维护索引的成本可能会超过它带来的好处。每次数据变动时，索引也需要相应地进行调整，这会增加I/O开销。

低选择性列：当一个列中的不同值很少时（比如性别字段，通常只有两种可能性），即使创建了索引，查询优化器也可能决定全表扫描更有效率，因为通过索引找到的数据量仍然很大。

宽索引或复合索引：如果索引包含过多的列或者是一个复杂的复合索引，它可能会变得非常大，从而降低其效率。此外，过于复杂的索引结构也难以管理和优化。

高并发写入环境：在一个以写操作为主的系统中，大量的写操作会导致频繁的索引重建，进而影响性能。此时减少不必要的索引可以提升整体性能。

临时表或短期使用的表：如果一个表只是用于短暂存储数据，之后会被丢弃，则为其创建索引通常是不值得的。

不适合索引的数据类型：某些数据类型，如文本、图像等大对象（LOB），通常不适合建立索引，因为它们的数据量较大，而且查询条件往往不明确。

基于范围的查询：虽然索引对等于特定值的查询很有帮助，但对于涉及范围的查询（如BETWEEN、>、<），特别是当范围较广时，索引的效果可能会打折扣。

2.说说什么是 MVCC ？

多版本并发控制（Multiversion Concurrency Control，简称MVCC）是一种用于数据库管理系统（DBMS）的并发控制方法。它允许数据库同时处理多个读写事务，而不会导致数据不一致或冲突的问题。通过MVCC，数据库可以在一定程度上实现非阻塞读取和高效的并发操作。

MVCC 的核心概念

• 多个版本：每当有新的更新发生时，数据库并不会直接覆盖旧的数据记录，而是创建一个新的版本。这意味着在一段时间内，数据库中可能会存在同一行数据的多个版本。
• 快照读（Snapshot Read）：当一个事务开始时，它会根据当前的时间点创建一个“快照”，这个快照包含了所有在这个时间点之前已经提交的数据版本。之后，该事务可以基于这个快照进行读取操作，而不会受到其他正在进行中的事务的影响。也就是说，它读取的是一个稳定的一致性视图，即使其他事务修改了这些数据也不会影响到它。
• 写不阻塞读，读不阻塞写：由于每个事务都读取自己的快照，因此读操作不会被写操作阻塞，反之亦然。这提高了系统的并发性能。

实现机制

• 隐藏列：为了支持MVCC，数据库通常会在每行数据中添加一些额外的信息，如事务ID、提交状态等。这些信息帮助确定哪些版本是可见的给特定的事务。
• 垃圾回收（GC）：随着时间推移，旧版本的数据不再需要保留，这时就需要有一个机制来清理这些过期的版本。不同的数据库系统有不同的策略来管理这一点，比如通过后台线程定期清理或者在适当的时机合并版本。

优点

• 提高并发性：允许多个事务几乎同时访问同一个对象而不互相干扰。
• 减少锁争用：因为读取操作不需要获取排他锁，所以减少了锁之间的竞争，从而降低了死锁的可能性。
• 提供一致性的读取：确保每个事务都能看到一个一致的状态，避免了脏读、不可重复读等问题。

应用场景

MVCC广泛应用于现代的关系型数据库系统中，例如PostgreSQL、Oracle、MySQL（InnoDB存储引擎）等。此外，一些NoSQL数据库也采用了类似的机制以提升并发性能。

总之，在决定是否为某一列创建索引时，应该综合考虑数据特性、访问模式以及应用需求等因素，确保索引能够真正改善性能而不是成为负担。

3.MVCC 可以为数据库解决什么问题？

多版本并发控制（MVCC）为数据库解决了一系列与并发性和数据一致性相关的问题。以下是MVCC主要解决的几个问题：

提高并发性能：

• MVCC允许读操作和写操作并行执行，而不会互相阻塞。这意味着一个事务可以在另一个事务更新数据的同时安全地读取旧版本的数据，从而极大地提高了系统的并发处理能力。

减少锁争用：

• 在传统的锁定机制中，读写冲突通常会导致大量的锁等待现象，进而降低系统吞吐量。MVCC通过允许多个版本共存，减少了对排他锁的需求，使得多个事务可以更高效地访问同一份数据。

提供一致性的读取视图：

• MVCC确保每个事务都能看到一个稳定且一致的数据快照，即使在事务期间有其他事务修改了数据。这种特性避免了脏读、不可重复读以及幻读等问题，保证了事务隔离级别中的“可重复读”或更高要求。

简化应用逻辑：

• 应用开发者不需要担心由于高并发场景下的数据竞争而导致的应用错误。他们可以依赖于数据库提供的MVCC机制来维持数据的一致性，从而使应用程序逻辑更加简单可靠。

支持长时间运行的查询：

• 对于那些需要扫描大量数据或者执行复杂计算的长时间运行查询，MVCC能够保证这些查询在整个执行过程中都基于同一个时间点的数据快照工作，而不受其他并发事务的影响。

增强数据保护和恢复能力：

• 由于MVCC保留了数据的历史版本，在某些情况下可以帮助进行数据恢复，例如当发现某个事务引入了错误的数据后，可以根据之前的数据版本回滚到正确状态。

实现高效的只读副本：

• 在分布式环境中，主节点可以通过MVCC向只读副本提供一致的数据视图，这有助于构建高可用性和扩展性的数据库架构。

综上所述，MVCC通过引入数据的多版本管理和快照读取机制，有效地解决了传统数据库在高并发环境下的性能瓶颈和数据一致性挑战，同时提升了用户体验和开发效率。

4.说说 MVCC 的实现原理

多版本并发控制（MVCC）的实现原理依赖于几个关键概念和技术，这些共同作用以确保数据库能够在高并发环境下提供高效、一致的数据访问。下面是MVCC的主要实现原理：

1. 数据行版本化

• 隐藏列：在支持MVCC的数据库中，每一行数据通常包含一些额外的元数据信息，如事务ID（XID）、创建版本号和删除版本号等。这些信息用于跟踪该行数据的生命周期及其可见性。
• 非覆盖更新：当一个事务对某一行进行更新时，并不会直接修改原有的记录，而是生成一个新的版本。旧版本仍然保留在数据库中，直到不再需要为止。这保证了其他正在读取该行的事务可以继续看到它之前的状态。

2. 快照读取

• 一致性视图（Consistent View）：每当一个新事务开始时，它会基于当前时间点创建一个“快照”，这个快照包含了所有在此之前已经提交的数据版本。之后，该事务的所有读操作都将基于这个快照执行，即使有其他事务在此期间对数据进行了修改。
• 可见性规则：为了确定哪些版本的数据是可见的给特定的事务，数据库定义了一套可见性规则。例如，在PostgreSQL中，一个版本对于某个事务来说是可见的，如果它的创建版本号小于或等于该事务的开始版本号，并且没有被后续的删除版本号标记为已删除。

3. 写不阻塞读，读不阻塞写

• 非锁定读取：由于每个事务都读取自己的快照，因此读操作不需要获取排他锁，从而不会被其他正在进行中的写操作所阻塞。
• 意向锁与行级锁分离：尽管读操作是非阻塞的，但在涉及到写操作时，仍需使用适当的锁机制来防止并发冲突。不过，MVCC优化了锁的使用方式，比如采用意向锁（Intent Locks）和行级锁（Row-Level Locking），以最小化锁争用。

4. 垃圾回收与清理

• 过期版本清理：随着时间推移，旧版本的数据将不再被任何活动事务所需要。这时就需要有一个机制来清理这些过期版本，以释放存储空间并保持性能。不同的数据库系统有不同的策略来管理这一点，比如通过后台线程定期清理或者在适当的时机合并版本。
• VACUUM过程（适用于某些DBMS）：像PostgreSQL这样的数据库系统提供了专门的命令（如VACUUM）来扫描表并回收那些不再使用的存储空间。这有助于维护数据库的健康状态并提高长期运行的效率。

5. 意向锁

• 减少全局锁开销：为了进一步减少锁的开销，一些数据库实现了意向锁的概念。意向锁是一种轻量级的锁，用来表明某个事务打算对特定范围内的资源加锁，但并不立即锁定这些资源。这样可以在不影响其他事务的前提下提前声明意图，从而更好地协调并发访问。

综上所述，MVCC通过引入数据行版本化、快照读取、以及精细的锁机制，使得数据库能够在不牺牲数据一致性的情况下，大幅提高并发处理能力。同时，它还简化了应用程序逻辑，因为开发者不必过多考虑并发控制问题。

5. MySQL 事务隔离级别？

MySQL 支持四种标准的事务隔离级别，这些级别定义了事务在并发执行时如何处理读取和写入操作，以及它们对其他事务可见的程度。不同的隔离级别提供了不同程度的数据一致性和性能之间的权衡。以下是 MySQL 中支持的四个事务隔离级别：

• 读未提交（Read Uncommitted）

这是最低级别的隔离。它允许一个事务读取其他事务尚未提交的数据变更，即所谓的“脏读”。这种情况下，可能会读到不完整或错误的数据。
在 MySQL 中，默认情况下并不会使用这个隔离级别，因为它可能导致数据的不一致性。

• 读已提交（Read Committed）

该级别只允许事务读取已经提交的数据。这意味着在一个事务中不能读取到其他事务未提交的更改，从而避免了“脏读”。
然而，在同一个事务内，如果同一行数据被不同事务多次修改并提交，那么每次读取都可能得到不同的结果，这就是所谓的“不可重复读”。

• 可重复读（Repeatable Read）

这是 MySQL 的默认隔离级别。在这个级别下，一个事务在整个执行期间看到的数据是一致的，即使有其他事务对数据进行了修改并提交，也不会影响当前事务所见的数据版本。
它解决了“不可重复读”的问题，确保同一事务中的所有查询都能读取到相同的数据快照。但是，它并不能防止“幻读”，即新插入的数据行可能会出现在后续查询的结果集中。

• 序列化（Serializable）

这是最高的隔离级别，它通过强制事务串行执行来彻底消除并发问题。也就是说，在任何时刻只有一个事务可以对数据进行读写操作。
虽然这种方式能保证最高的数据一致性，但它也带来了最大的锁争用和最低的并发性能，因此通常只在非常严格的一致性要求场景下使用。

设置事务隔离级别

可以在会话级或全局级设置事务隔离级别。例如，要将当前会话的隔离级别设置为 REPEATABLE READ，你可以执行如下命令：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

若想改变全局的默认隔离级别，则需要管理员权限，并且可以通过以下命令实现：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

请注意，改变全局隔离级别会影响所有新创建的会话，但不会影响现有的会话。此外，某些存储引擎（如 InnoDB）可能有自己的默认隔离级别，并且可能不支持所有的隔离级别。对于 InnoDB 来说，默认的隔离级别是 REPEATABLE READ。

原文地址：https://blog.csdn.net/guihong004/article/details/144751457

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