pg事务篇（一）—— 事务与多版本并发控制MVCC

一、 MVCC常用实现方法

一般MVCC有2种实现方法：

• 写新数据时，把旧数据快照存入其他位置（如oracle的回滚段、sqlserver的tempdb）。当读数据时，读的是快照的旧数据。
• 写新数据时，旧数据不删除，直接插入新数据。PostgreSQL就是使用的这种实现方法。

1. PostgreSQL的MVCC实现方式优缺点

优点

• 无论事务进行了多少操作，事务回滚可以立即完成
• 数据可以进行很多更新，不必像Oracle和MySQL的Innodb引擎需要保证回滚段不会被用完，也不会经常遇到“ORA-1555”错误的困扰

缺点

• 旧版本的数据需要清理。当然，PostgreSQL 9.x版本中已经增加了自动清理的辅助进程来定期清理
• 旧版本的数据可能会导致查询需要扫描的数据块增多，从而导致查询变慢

2. PostgreSQL中MVCC的实现思路

为了实现MVCC机制，必须要：

• 定义多版本的数据——使用元组头部信息的字段来标示元组的版本号
• 定义数据的有效性、可见性、可更新性——通过当前的事务快照和对应元组的版本号判断
• 实现不同的数据库隔离级别——通过在不同时机获取快照实现

下面我们分别来看，首先了解一些基本概念。

二、 基本概念

1. 事务标识

当事务开始（执行begin第一条命令时），事务管理器会为该事务分配一个txid（transaction id）作为唯一标识符。txid是一个32位无符号整数，取值空间大小约42亿（2^32-1）。

txid可通过txid_current()函数获取

testdb=# BEGIN;
BEGIN
testdb=# SELECT txid_current();
 txid_current 
--------------
          100
(1 row)

三个特殊的txid

• 0：InvalidTransactionId，表示无效的事务ID
• 1：BootstrapTransactionId，表示系统表初始化时的事务ID，比任何普通的事务ID都旧。
• 2：FrozenTransactionId，冻结的事务ID，比任何普通的事务ID都旧。
• 大于2的事务ID都是普通的事务ID。

事务间的可见性

txid间可以相互比较大小，任何事务只可见txid＜其自身txid的事务修改结果。但txid并不是无限的，当42亿数据用尽之后又应该如何判断可见性？这个问题我们下篇再讨论。

2. 元组结构

pg中元组由三部分组成——元组头结点、空值位图、用户数据。

官方文档中解释如下 PostgreSQL: Documentation: 9.6: Database Page Layout

其中与MVCC相关的重要信息为：

• t_xmin：保存插入该元组的事务txid（该元组由哪个事务插入）
• t_xmax：保存更新或删除该元组的事务txid。若该元组尚未被删除或更新，则t_xmax=0，即invalid
• t_cid：保存命令标识（command id,cid），指在该事务中，执行当前命令之前还执行过几条sql命令（从0开始计算）
• t_ctid：一个指针，保存指向自身或新元组的元组的标识符（tid）。

当更新该元组时，t_ctid会指向新版本元组。若元组被更新多次，则该元组会存在多个版本，各版本通过t_cid串联，形成一个版本链。通过这个版本链，可以找到最新的版本。t_ctid是一个二元组（页号,页内偏移量），其中页号从0开始，页内偏移量从1开始。

pg提供了pageinspect插件，可查看指定表对应的page header内容

testdb=# CREATE EXTENSION pageinspect;
CREATE EXTENSION
testdb=# CREATE TABLE tbl (data text);
CREATE TABLE
testdb=# INSERT INTO tbl VALUES('A');
INSERT 0 1
testdb=# SELECT lp as tuple, t_xmin, t_xmax, t_field3 as t_cid, t_ctid 
                FROM heap_page_items(get_raw_page('tbl', 0));
 tuple | t_xmin | t_xmax | t_cid | t_ctid 
-------+--------+--------+-------+--------
     1 |     99 |      0 |     0 | (0,1)
(1 row)

三、 元组的增、删、改

1. 插入

插入操作最简单，直接将新元组插入目标表中页面即可

插入操作的过程和结果分析：

• t_xmin 被设置为99，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为0，因为该元组还未被更新或删除过
• t_cid 被设置为0，因为这是该事务的第一条命令
• t_ctid 指向自身，被设置为（0,1），表示该元组位于0号page的第1个位置上

2. 删除

pg的删除只是将目标元组在逻辑上标为删除（将t_xmax设为执行delete命令的事务txid），实际该元组依然存在于数据库的存储页面，直至该元组被清理进程清理掉。

删除操作的过程和结果分析：

• t_xmin 不变，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为111，即删除该元组的txid
• t_cid 被设置为0，因为这是该事务的第一条命令
• t_ctid 指向自身，被设置为（0,1），表示该元组位于0号page的第1个位置上

当txid=111的事务提交时，tuple_1就不再需要了，称为dead tuple。但是这个tuple依然残留在页面上， 随着数据库的运行，这种死元组越来越多，它们会在VACUUM时最终被清理掉。

3. 更新

pg不会直接修改数据，而是将目标元组标记为删除，并插入一条新元组，同时修改t_ctid执行新版本元组。

更新操作的过程和结果分析

首先看第一条update：

Tuple_1

• t_xmin 不变，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为100，即删除该元组的txid
• t_cid 被设置为0，因为这是该事务的第一条命令
• t_ctid 指向新版本元组，被设置为（0,2），表示新元组位于0号page的第2个位置上

Tuple_2

• t_xmin 被设置为100，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为0，因为该元组还未被更新或删除过
• t_cid 被设置为0，因为这是该事务的第一条命令（虽然又删又增，实际都是一条update操作的）
• t_ctid 指向自身，被设置为（0,2），表示该元组位于0号page的第2个位置上

再看第二条update：

Tuple_2

• t_xmin 不变，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为100，即删除该元组的txid
• t_cid 被设置为1，因为这是该事务的第二条命令
• t_ctid 指向新版本元组，被设置为（0,3），表示新元组位于0号page的第3个位置上

Tuple_3

• t_xmin 被设置为100，表示插入该元组的txid
• t_xmax 被设置为0，因为该元组还未被更新或删除过
• t_cid 被设置为1，因为这是该事务的第二条命令
• t_ctid 指向自身，被设置为（0,3），表示该元组位于0号page的第3个位置上

四、 提交日志

pg在提交日志（commit log,CLOG）中保存事务的状态。

1. 事务状态

pg定义了四种事务状态——IN_PROGRESS, COMMITTED, ABORTED和SUB_COMMITTED，其中SUB_COMMITTED状态用于子事务，此处不讨论。

#define TRANSACTION_STATUS_IN_PROGRESS		0x00
#define TRANSACTION_STATUS_COMMITTED		0x01
#define TRANSACTION_STATUS_ABORTED		0x02
#define TRANSACTION_STATUS_SUB_COMMITTED	0x03

四种事务状态仅需两个bit即可记录。以一个块8KB为例，可以存储8KB*8/2 = 32K个事务的状态。内存中缓存CLOG的buffer 大小为Min(128,Max(4,NBuffers/512))。

2. 工作原理

CLOG在逻辑上是一个数组，由共享内存中一系列8K页面组成。数组下标对应事务txid，数组内容则为事务状态：

• T1时刻：txid=200事务提交，对应状态从IN_PROGRESS改为COMMITED
• T2时刻：txid=201事务回滚，对应状态从IN_PROGRESS改为ABORTED

当需要获取事务状态时，pg调用内部函数读取CLOG返回所请求事务状态，详情参考下篇——提示位。

3. CLOG的维护

当shutdown pg或Checkpoint运行时，CLOG数据会由内存写入pg_clog（pg 10后叫pg_xact）目录中的文件。这些文件被命名为0000,0001，最大256KB。当pg启动时，会加载这些文件用于初始化CLOG。

CLOG数据会不断增长，但并非所有数据都是必要的，清理过程也会定期清理掉不再需要的CLOG页面和文件。

参考

《postgresql实战》

The Internals of PostgreSQL : Chapter 5 Concurrency Control

PgSQL· 引擎特性 · 多版本并发控制介绍及实例分析

PgSQL · 特性分析 · MVCC机制浅析

PgSQL · 引擎特性 · PostgreSQL Hint Bits 简介

PostgreSQL: Documentation: 10: 67.6. Database Page Layout