《PostgreSQL技术内幕——原理探索》第五章 并发控制

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当多个事务同时在数据库中运行时,并发控制是一种用于维持一致性隔离性的技术,一致性与隔离性是ACID的两个属性。

从宽泛的意义上来讲,有三种并发控制技术:多版本并发控制(Multi-version Concurrency Control, MVCC)严格两阶段锁定(Strict Two-Phase Locking, S2PL)乐观并发控制(Optimistic Concurrency Control, OCC),每种技术都有多种变体。在MVCC中,每个写操作都会创建一个新版本的数据项,并保留其旧版本。当事务读取数据对象时,系统会选择其中的一个版本,通过这种方式来确保各个事务间相互隔离。 MVCC的主要优势在于“读不会阻塞写,而写也不会阻塞读”,相反的例子是,基于S2PL的系统在写操作发生时会阻塞相应对象上的读操作,因为写入者获取了对象上的排他锁。 PostgreSQL和一些RDBMS使用一种MVCC的变体,名曰快照隔离(Snapshot Isolation,SI)

一些RDBMS(例如Oracle)使用回滚段来实现快照隔离SI。当写入新数据对象时,旧版本对象先被写入回滚段,随后用新对象覆写至数据区域。 PostgreSQL使用更简单的方法:新数据对象被直接插入到相关表页中。读取对象时,PostgreSQL根据可见性检查规则(visibility check rules),为每个事务选择合适的对象版本作为响应。

SI中不会出现在ANSI SQL-92标准中定义的三种异常:脏读,不可重复读和幻读。但SI无法实现真正的可串行化,因为在SI中可能会出现串行化异常:例如写偏差(write skew)只读事务偏差(Read-only Transaction Skew)。需要注意的是:ANSI SQL-92标准中可串行化的定义与现代理论中的定义并不相同。为了解决这个问题,PostgreSQL从9.1版本之后添加了可串行化快照隔离(SSI,Serializable Snapshot Isolation),SSI可以检测串行化异常,并解决这种异常导致的冲突。因此,9.1版本之后的PostgreSQL提供了真正的SERIALIZABLE隔离等级(此外SQL Server也使用SSI,而Oracle仍然使用SI)。

本章包括以下四个部分:

  • 第1部分:第5.1~5.3节。

    这一部分介绍了理解后续部分所需的基本信息。

    第5.1和5.2节分别描述了事务标识和元组结构。第5.3节展示了如何插入,删除和更新元组。

  • 第2部分:第5.4~5.6节。

    这一部分说明了实现并发控制机制所需的关键功能。

    第5.4,5.5和5.6节描述了提交日志(clog),分别介绍了事务状态,事务快照和可见性检查规则。

  • 第3部分:第5.7~5.9节。

    这一部分使用具体的例子来介绍PostgreSQL中的并发控制。

    这一部分说明了如何防止ANSI SQL标准中定义的三种异常。第5.7节描述了可见性检查,第5.8节介绍了如何防止丢失更新,第5.9节简要描述了SSI。

  • 第4部分:第5.10节。

    这一部分描述了并发控制机制持久运行所需的几个维护过程。维护过程主要通过清理过程(vacuum processing)进行,清理过程将在第6章详细阐述。

并发控制包含着很多主题,本章重点介绍PostgreSQL独有的内容。故这里省略了锁模式与死锁处理的内容(相关信息请参阅官方文档)。

PostgreSQL中的事务隔离等级

PostgreSQL实现的事务隔离等级如下表所示:

隔离等级脏读不可重复读幻读串行化异常
读已提交不可能可能可能可能
可重复读[1]不可能不可能PG中不可能,见5.7.2小节 但ANSI SQL中可能可能
可串行化不可能不可能不可能不可能

[1]:在9.0及更早版本中,该级别被当做SERIALIZABLE,因为它不会出现ANSI SQL-92标准中定义的三种异常。 但9.1版中SSI的实现引入了真正的SERIALIZABLE级别,该级别已被改称为REPEATABLE READ

PostgreSQL对DML(SELECT, UPDATE, INSERT, DELETE等命令)使用SSI,对DDL(CREATE TABLE等命令)使用2PL。

5.1 事务标识

每当事务开始时,事务管理器就会为其分配一个称为事务标识(transaction id, txid)的唯一标识符。 PostgreSQL的txid是一个32位无符号整数,总取值约42亿。在事务启动后执行内置的txid_current()函数,即可获取当前事务的txid,如下所示。

PostgreSQL保留以下三个特殊txid

  • 0表示无效(Invalid)txid
  • 1表示初始启动(Bootstrap)txid,仅用于数据库集群的初始化过程。
  • 2表示冻结(Frozen)txid,详情参考第5.10.1节。

txid可以相互比较大小。例如对于txid=100的事务,大于100的txid属于“未来”,且对于txid=100的事务而言都是不可见(invisible)的;小于100的txid属于“过去”,且对该事务可见,如图5.1(a)所示。

图5.1 PostgreSQL中的事务标识

img

因为txid在逻辑上是无限的,而实际系统中的txid空间不足(4字节取值空间约42亿),因此PostgreSQL将txid空间视为一个环。对于某个特定的txid,其前约21亿个txid属于过去,而其后约21亿个txid属于未来。如图5.1(b)所示。

所谓的txid回卷问题将在5.10.1节中介绍。

请注意,txid并非是在BEGIN命令执行时分配的。在PostgreSQL中,当执行BEGIN命令后的第一条命令时,事务管理器才会分配txid,并真正启动其事务。

5.2 元组结构

可以将表页中的堆元组分为两类:普通数据元组与TOAST元组。本节只会介绍普通元组。

堆元组由三个部分组成,即HeapTupleHeaderData结构,空值位图,以及用户数据,如图5.2所示。

图5.2 元组结构

img

HeapTupleHeaderData结构在src/include/access/htup_details.h中定义。

虽然HeapTupleHeaderData结构包含七个字段,但后续部分中只需要了解四个字段即可。

  • t_xmin保存插入此元组的事务的txid
  • t_xmax保存删除或更新此元组的事务的txid。如果尚未删除或更新此元组,则t_xmax设置为0,即无效。
  • t_cid保存命令标识(command id, cid)cid意思是在当前事务中,执行当前命令之前执行了多少SQL命令,从零开始计数。例如,假设我们在单个事务中执行了三条INSERT命令BEGIN;INSERT;INSERT;INSERT;COMMIT;。如果第一条命令插入此元组,则该元组的t_cid会被设置为0。如果第二条命令插入此元组,则其t_cid会被设置为1,依此类推。
  • t_ctid保存着指向自身或新元组的元组标识符(tid)。如第1.3节中所述,tid用于标识表中的元组。在更新该元组时,其t_ctid会指向新版本的元组;否则t_ctid会指向自己。

5.3 元组的增删改

本节会介绍元组的增删改过程,并简要描述用于插入与更新元组的自由空间映射(Free Space Map, FSM)

这里主要关注元组,页首部与行指针不会在这里画出来,元组的具体表示如图5.3所示。

图5.3 元组的表示

img

5.3.1 插入

在插入操作中,新元组将直接插入到目标表的页面中,如图5.4所示。

图5.4 插入元组

img

假设元组是由txid=99的事务插入页面中的,在这种情况下,被插入元组的首部字段会依以下步骤设置。

Tuple_1

  • t_xmin设置为99,因为此元组由txid=99的事务所插入。
  • t_xmax设置为0,因为此元组尚未被删除或更新。
  • t_cid设置为0,因为此元组是由txid=99的事务所执行的第一条命令所插入的。
  • t_ctid设置为(0,1),指向自身,因为这是该元组的最新版本。

pageinspect

PostgreSQL自带了一个第三方贡献的扩展模块pageinspect,可用于检查数据库页面的具体内容。

5.3.2 删除

在删除操作中,目标元组只是在逻辑上被标记为删除。目标元组的t_xmax字段将被设置为执行DELETE命令事务的txid。如图5.5所示。

图5.5 删除元组

img 假设Tuple_1txid=111的事务删除。在这种情况下,Tuple_1的首部字段会依以下步骤设置。

Tuple_1

  • t_xmax被设为111。

如果txid=111的事务已经提交,那么Tuple_1就不是必需的了。通常不需要的元组在PostgreSQL中被称为死元组(dead tuple)

死元组最终将从页面中被移除。清除死元组的过程被称为清理(VACUUM)过程第6章将介绍清理过程。

5.3.3 更新

在更新操作中,PostgreSQL在逻辑上实际执行的是删除最新的元组,并插入一条新的元组(图5.6)。

图5.6 两次更新同一行

img

假设由txid=99的事务插入的行,被txid=100的事务更新两次。

当执行第一条UPDATE命令时,Tuple_1t_xmax被设为txid 100,在逻辑上被删除;然后Tuple_2被插入;接下来重写Tuple_1t_ctid以指向Tuple_2Tuple_1Tuple_2的头部字段设置如下。

Tuple_1

  • t_xmax被设置为100。
  • t_ctid(0,1)被改写为(0,2)

Tuple_2

  • t_xmin被设置为100。
  • t_xmax被设置为0。
  • t_cid被设置为0。
  • t_ctid被设置为(0,2)

当执行第二条UPDATE命令时,和第一条UPDATE命令类似,Tuple_2被逻辑删除,Tuple_3被插入。Tuple_2Tuple_3的首部字段设置如下。

Tuple_2

  • t_xmax被设置为100。
  • t_ctid(0,2)被改写为(0,3)

Tuple_3

  • t_xmin被设置为100。
  • t_xmax被设置为0。
  • t_cid被设置为1。
  • t_ctid被设置为(0,3)

与删除操作类似,如果txid=100的事务已经提交,那么Tuple_1Tuple_2就成为了死元组,而如果txid=100的事务中止,Tuple_2Tuple_3就成了死元组。

5.3.4 空闲空间映射

插入堆或索引元组时,PostgreSQL使用表与索引相应的FSM来选择可供插入的页面。

如1.2.3节所述,表和索引都有各自的FSM。每个FSM存储着相应表或索引文件中每个页面可用空间容量的信息。

所有FSM都以后缀fsm存储,在需要时它们会被加载到共享内存中。

pg_freespacemap

扩展pg_freespacemap能提供特定表或索引上的空闲空间信息。以下查询列出了特定表中每个页面的空闲率。

5.4 提交日志(clog)

PostgreSQL在提交日志(Commit Log, clog)中保存事务的状态。提交日志(通常称为clog)分配于共享内存中,并用于事务处理过程的全过程。

本节将介绍PostgreSQL中事务的状态,clog的工作方式与维护过程。

5.4.1 事务状态

PostgreSQL定义了四种事务状态,即:IN_PROGRESSCOMMITTEDABORTEDSUB_COMMITTED

前三种状态涵义显而易见。例如当事务正在进行时,其状态为IN_PROGRESS,依此类推。

SUB_COMMITTED状态用于子事务,本文省略了与子事务相关的描述。

5.4.2 提交日志如何工作

提交日志(下称clog)在逻辑上是一个数组,由共享内存中一系列8KB页面组成。数组的序号索引对应着相应事务的标识,而其内容则是相应事务的状态。clog的工作方式如图5.7所示。

图5.7 clog如何工作

img

T1txid 200提交;txid 200的状态从IN_PROGRESS变为COMMITTEDT2txid 201中止;txid 201的状态从IN_PROGRESS变为ABORTED

txid不断前进,当clog空间耗尽无法存储新的事务状态时,就会追加分配一个新的页面。

当需要获取事务的状态时,PostgreSQL将调用相应内部函数读取clog,并返回所请求事务的状态。(参见第5.7.1节中的提示位(Hint Bits)

5.4.3 提交日志的维护

当PostgreSQL关机或执行存档过程时,clog数据会写入至pg_clog子目录下的文件中(注意在10版本中,pg_clog被重命名为pg_xact)。这些文件被命名为00000001等等。文件的最大尺寸为256 KB。例如当clog使用八个页面时,从第一页到第八页的总大小为64 KB,这些数据会写入到文件0000(64 KB)中;而当clog使用37个页面时(296 KB),数据则会写入到00000001两个文件中,其大小分别为256 KB和40 KB。

当PostgreSQL启动时会加载存储在pg_clogpg_xact)中的文件,用其数据初始化clog。

clog的大小会不断增长,因为只要clog一填满就会追加新的页面。但并非所有数据都是必需的。第6章中描述的清理过程会定期删除这些不需要的旧数据(clog页面和文件),有关删除clog数据的详情请参见第6.4节。

5.5 事务快照

事务快照(transaction snapshot)是一个数据集,存储着某个特定事务在某个特定时间点所看到的事务状态信息:哪些事务处于活跃状态。这里活跃状态意味着事务正在进行中,或还没有开始。

事务快照在PostgreSQL内部的文本表示格式定义为100:100:。举个例子,这里100:100:意味着txid < 100的事务处于非活跃状态,而txid ≥ 100的事务处于活跃状态。下文都将使用这种便利形式来表示。如果读者还不熟悉这种形式,请参阅下文。

内置函数txid_current_snapshot及其文本表示

函数txid_current_snapshot显示当前事务的快照。

txid_current_snapshot的文本表示是xmin:xmax:xip_list,各部分描述如下。

  • xmin

    最早仍然活跃的事务的txid。所有比它更早的事务txid < xmin要么已经提交并可见,要么已经回滚并生成死元组。

  • xmax

    第一个尚未分配的txid。所有txid ≥ xmax的事务在获取快照时尚未启动,因而其结果对当前事务不可见。

  • xip_list

    获取快照时活跃事务txid列表。该列表仅包括xminxmax之间的txid

    例如,在快照100:104:100,102中,xmin100xmax104,而xip_list100,102

以下显示了两个具体的示例:

图5.8 事务快照的表示样例

img

第一个例子是100:100:,如图图5.8(a)所示,此快照表示:

  • 因为xmin为100,因此txid < 100的事务是非活跃的
  • 因为xmax为100,因此txid ≥ 100的事务是活跃的

第二个例子是100:104:100,102,如图5.8(b)所示,此快照表示:

  • txid < 100的事务不活跃。
  • txid ≥ 104的事务是活跃的。
  • txid等于100和102的事务是活跃的,因为它们在xip_list中,而txid等于101和103的事务不活跃。

事务快照是由事务管理器提供的。在READ COMMITTED隔离级别,事务在执行每条SQL时都会获取快照;其他情况下(REPEATABLE READSERIALIZABLE隔离级别),事务只会在执行第一条SQL命令时获取一次快照。获取的事务快照用于元组的可见性检查,如第5.7节所述。

使用获取的快照进行可见性检查时,所有活跃的事务都必须被当成IN PROGRESS的事务等同对待,无论它们实际上是否已经提交或中止。这条规则非常重要,因为它正是READ COMMITTEDREPEATABLE READ/SERIALIZABLE隔离级别中表现差异的根本来源,我们将在接下来几节中频繁回到这条规则上来。

在本节的剩余部分中,我们会通过一个具体的场景来描述事务与事务管理器,如图5.9所示。

图5.9 事务管理器与事务

img

事务管理器始终保存着当前运行的事务的有关信息。假设三个事务一个接一个地开始,并且Transaction_ATransaction_B的隔离级别是READ COMMITTEDTransaction_C的隔离级别是REPEATABLE READ

  • T1: Transaction_A启动并执行第一条SELECT命令。执行第一个命令时,Transaction_A请求此刻的txid和快照。在这种情况下,事务管理器分配txid=200,并返回事务快照200:200:

  • T2: Transaction_B启动并执行第一条SELECT命令。事务管理器分配txid=201,并返回事务快照200:200:,因为Transaction_A(txid=200)正在进行中。因此无法从Transaction_B中看到Transaction_A

  • T3: Transaction_C启动并执行第一条SELECT命令。事务管理器分配txid=202,并返回事务快照200:200:,因此不能从Transaction_C中看到Transaction_ATransaction_B

  • T4: Transaction_A已提交。事务管理器删除有关此事务的信息。

  • T5: Transaction_BTransaction_C执行它们各自的SELECT命令。

    Transaction_B需要一个新的事务快照,因为它使用了READ COMMITTED隔离等级。在这种情况下,Transaction_B获取新快照201:201:,因为Transaction_A(txid=200)已提交。因此Transaction_A的变更对Transaction_B可见了。

    Transaction_C不需要新的事务快照,因为它处于REPEATABLE READ隔离等级,并继续使用已获取的快照,即200:200:。因此,Transaction_A的变更仍然对Transaction_C不可见。

5.6 可见性检查规则

可见性检查规则是一组规则,用于确定一条元组是否对一个事务可见,可见性检查规则会用到元组的t_xmint_xmax,提交日志clog,以及已获取的事务快照。这些规则太复杂,无法详细解释,故本书只列出了理解后续内容所需的最小规则子集。在下文中省略了与子事务相关的规则,并忽略了关于t_ctid的讨论,比如我们不会考虑在同一个事务中对一条元组多次重复更新的情况。

所选规则有十条,可以分类为三种情况。

5.6.1 t_xmin的状态为ABORTED

t_xmin状态为ABORTED的元组始终不可见(规则1),因为插入此元组的事务已中止。

该规则明确表示为以下数学表达式。

  • 规则1If Status(t_xmin) = ABORTED ⇒ Invisible

5.6.2 t_xmin的状态为IN_PROGRESS

t_xmin状态为IN_PROGRESS的元组基本上是不可见的(规则3和4),但在一个条件下除外。

如果该元组被另一个进行中的事务插入(t_xmin对应事务状态为IN_PROGRESS),则该元组显然是不可见的(规则4)。

如果t_xmin等于当前事务的txid(即,是当前事务插入了该元组),且t_xmax ≠ 0,则该元组是不可见的,因为它已被当前事务更新或删除(规则3)。

例外是,当前事务插入此元组且t_xmax无效(t_xmax = 0)的情况。 在这种情况下,此元组对当前事务中可见(规则2)。

  • 规则2If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin = current_txid ∧ t_xmax = INVAILD ⇒ Visible
  • 规则3If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin = current_txid ∧ t_xmax ≠ INVAILD ⇒ Invisible
  • 规则4If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin ≠ current_txid ⇒ Invisible

5.6.3 t_xmin的状态为COMMITTED

t_xmin状态为COMMITTED的元组是可见的(规则 6,8和9),但在三个条件下除外。

规则6是显而易见的,因为t_xmaxINVALID,或者t_xmax对应事务已经中止,相应元组可见。三个例外条件及规则8与规则9的描述如下。

第一个例外情况是t_xmin在获取的事务快照中处于活跃状态(规则5)。在这种情况下,这条元组是不可见的,因为t_xmin应该被视为正在进行中(取快照时创建该元组的事务尚未提交,因此对于REPEATABLE READ以及更高隔离等级而言,即使在判断时创建该元组的事务已经提交,但其结果仍然不可见)。

第二个例外情况是t_xmax是当前的txid(规则7)。这种情况与规则3类似,此元组是不可见的,因为它已经被此事务本身更新或删除。

相反,如果t_xmax的状态是IN_PROGRESS并且t_xmax不是当前的txid(规则8),则元组是可见的,因为它尚未被删除(因为删除该元组的事务尚未提交)。

第三个例外情况是t_xmax的状态为COMMITTED,且t_xmax在获取的事务快照中是非活跃的(规则10)。在这种情况下该元组不可见,因为它已被另一个事务更新或删除。

相反,如果t_xmax的状态为COMMITTED,但t_xmax在获取的事务快照中处于活跃状态(规则9),则元组可见,因为t_xmax对应的事务应被视为正在进行中,删除尚未提交生效。

  • 规则5If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmin) = active ⇒ Invisible
  • 规则6If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ (t_xmax = INVALID ∨ Status(t_xmax) = ABORTED) ⇒ Visible
  • 规则7If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = IN_PROGRESS ∧ t_xmax = current_txid ⇒ Invisible
  • 规则8If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = IN_PROGRESS ∧ t_xmax ≠ current_txid ⇒ Visible
  • 规则9If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmax) = active ⇒ Visible
  • 规则10If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmax) ≠ active ⇒ Invisible

5.7 可见性检查

本节描述了PostgreSQL执行可见性检查的流程。可见性检查(Visiblity Check),即如何为给定事务挑选堆元组的恰当版本。本节还介绍了PostgreSQL如何防止ANSI SQL-92标准中定义的异常:脏读,可重读和幻读。

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小麦苗

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