关于 MVCC 的基础

作为第一篇对 MVCC 的学习材料，以下内容翻译自 Wikipedia。

1. 什么是MVCC

1.1 基础概念

MVCC，Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制。MVCC 是一种并发控制的方法，一般在数据库管理系统中，实现对数据库的并发访问；在编程语言中实现事务内存。

如果有人从数据库中读数据的同时，有另外的人写入数据，有可能读数据的人会看到『半写』或者不一致的数据。有很多种方法来解决这个问题，叫做并发控制方法。最简单的方法，通过加锁，让所有的读者等待写者工作完成，但是这样效率会很差。MVCC 使用了一种不同的手段，每个连接到数据库的读者，在某个瞬间看到的是数据库的一个快照，写者写操作造成的变化在写操作完成之前（或者数据库事务提交之前）对于其他的读者来说是不可见的。

当一个 MVCC 数据库需要更一个一条数据记录的时候，它不会直接用新数据覆盖旧数据，而是将旧数据标记为过时（obsolete）并在别处增加新版本的数据。这样就会有存储多个版本的数据，但是只有一个是最新的。这种方式允许读者读取在他读之前已经存在的数据，即使这些在读的过程中半路被别人修改、删除了，也对先前正在读的用户没有影响。这种多版本的方式避免了填充删除操作在内存和磁盘存储结构造成的空洞的开销，但是需要系统周期性整理（sweep through）以真实删除老的、过时的数据。对于面向文档的数据库（Document-oriented database，也即半结构化数据库）来说，这种方式允许系统将整个文档写到磁盘的一块连续区域上，当需要更新的时候，直接重写一个版本，而不是对文档的某些比特位、分片切除，或者维护一个链式的、非连续的数据库结构。

MVCC 提供了时点（point in time）一致性视图。MVCC 并发控制下的读事务一般使用时间戳或者事务 ID去标记当前读的数据库的状态（版本），读取这个版本的数据。读、写事务相互隔离，不需要加锁。读写并存的时候，写操作会根据目前数据库的状态，创建一个新版本，并发的读则依旧访问旧版本的数据。

一句话讲，MVCC就是用 同一份数据临时保留多版本的方式 的方式，实现并发控制。

这里留意到 MVCC 关键的两个点：

1. 在读写并发的过程中如何实现多版本；
2. 在读写并发之后，如何实现旧版本的删除（毕竟很多时候只需要一份最新版的数据就够了）；

1.2 实现

MVCC 使用时间戳（TS）、递增的事务 ID（T）实现事务一致性。

MVCC 通过维护多版本数据，保证一个读事务永远不会被阻塞。对象 P 维护有多个版本，每个版本会有一个读时间戳（Read TimeStamp, RTS）和 写时间戳（Write TimeStamp, WTS），事务 Ti 读对象 P 的最新版本，该版本早于事务 Ti 的读时间戳 RTS(Ti)。

事务 Ti 要对 P 执行写操作，如果有其他事务 Tk 同时对 P 操作，则 RTS(Ti）必须要早于 RTS(Tk)，即有 RTS(Ti) < RTS(Tk)，这样对 Ti 对 P 的写操作才能完成。一般地，如果其他事务拥有 P 的一个更早的读时间戳的情况下，写操作是不能完成的。打个比方就是在存储前面有一道线，只有等你前面的人的完成了他们的事务，你的修改事务才可以提交完成。

重复说一下：每个对象 P 有一个时间戳 TS，如果事务 Ti 想要对 P 执行写操作，（写要先读）事务的读时间戳是 RTS(Ti)，如果有其他事务拥有一个比较早的时间戳，有 TS(P) < RTS(Ti)，这时事务 Ti 会退出并重新开始。否则，事务 Ti 创建一个 P 的新版本，并设置新版本 P 的时间戳，似的 TS = TS(Ti)。

MVCC 系统明显的缺点是会存储多个版本数据的冗余开销。但同时，读操作永不会被阻塞，这对那些以读操作为主的数据库来说非常重要。MVCC 实现了真的快照隔离（snapshot isolation），然后其他的并发控制方法要么是不完整的快照隔离方式，要么需要较高的性能损耗。

Wikipedia 中的内容有点繁琐，简单地，上面的描述，阐明了在同一数据版本下写操作的限制，已经通过多版本实现快照隔离的优越性。

1.3 示例

Time	Object1	Object2
0	"Foo" by T0	"Bar" by T0
1	"Hello" by T1

Time=1的时候数据库的状态如上：

T0 写 Object1 为 "Foo"，写 Object2 为 "Bar"；之后 T1 写 Object1 为 "Hello"，保留 Object2 为原始值。 Object1 的新值将取代 Time=0 时刻的旧值，并提供给 T1提交之后的发生的所有事务。Object1的版本号为0的旧数据会被 GC 掉。

如果有一个长事务 T2，在 T1之后对 Object1和 Object2 进行读操作，同时并行地，有事务 T3 做更新：删除 Object2、增加 Object3="Foo-Bar"，在 Time=2 数据的状态如下所示：

Time	Object1	Object2	Object3
0	"Foo" by T0	"Bar" by T0
1	"Hello" by T1
2		(delete)by T3	"Foo-Bar" by T3

在 Time=2 Object2有一个新版本：标记删除，同时增加了新对象 Object3 。T2 和 T3 并发执行，T2 看到的是数据在 Time=2 且 T3提交前的版本，这样 T2读到了 Object2="Bar""且Object1="Hello"。

以上就是 MVCC 在不加锁的情况下实现的快照隔离的读的原理。

1.4 历史

最早于1978年，论文『Naming and Synchronization in a Decentralized Computer System』清晰地介绍了 MVCC，这是公认关于 MVCC 最早的工作。

在1981年，论文『Concurrency Control in Distributed Database System』介绍MVCC的一些细节。

目前支持 MVCC 的数据库，包括 DB2、Oracle、Sybase、SQL Server、MySQL、PG 等所有主流数据库，以及 HBase、Couchbase、Berkeley DB 等 NoSQL 数据库

参考

1. Wikipedia: Multiversion concurrency control
2. List of databases using MVCC