PolarDB-X DN InnoDB 引擎事务管理剖析

本文介绍 InnoDB 的事务管理系统，该系统通过结合多版本并发控制 (MVCC)、锁和日志记录机制来提供 ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）合规性。涵盖事务生命周期、隔离级别、并发控制和恢复机制。

事务结构和状态

InnoDB 事务管理的核心是trx_t
结构，它维护跟踪和管理事务状态和资源所需的所有信息。

事务结构

事务状态

InnoDB 中的事务在其生命周期中会经历几个状态：

• NOT_STARTED：事务分配后的初始状态
• ACTIVE：事务正在处理操作
• PREPARED：XA 事务已 prepare（分布式事务）
• COMMITTED_IN_MEMORY：事务已提交，但清理可能正在进行中
• FORCED_ROLLBACK：事务已被标记为强制回滚

事务生命周期管理

InnoDB 使用事务池来实现高效的内存管理和事务重用。事务池负责处理事务对象的分配、初始化和释放。

提交流程

提交过程涉及几个步骤：

1、准备阶段：将undo日志记录写入磁盘

2、提交阶段：

• 分配事务ID
• 在内存中将事务标记为已提交
• 添加到刷新列表以写入redo日志
• 释放锁

3、清理阶段：

• 释放资源
• 将事务返回到池中

对于不同类型的事务，处理流程有所不同：

回滚流程

当事务回滚时，InnoDB：

• 更改事务状态
• 读取undo日志以撤销事务所做的更改
• 释放undo日志
• 释放事务持有的锁
• 将事务返回到池中

回滚可以由用户明确启动，也可以在出现死锁或超时时由系统自动启动。

并发控制和 MVCC

InnoDB 使用多版本并发控制 (MVCC) 来实现无需锁即可同时访问数据库。实现方式是维护同一行的多个版本，并允许每个事务查看事务启动时的数据库快照。

读视图(快照信息)

读视图是事务启动时（在可重复读隔离模式
下）或语句启动时（在读已提交隔离模式
下）创建的数据库快照。它决定了哪些行的版本对事务可见。

可见性检测

1、对于每一行，InnoDB 通过以下方式确定可见性：

• 读取行版本的事务ID（trx_id
  ）
• 将其与快照信息进行比较
• 如果需要，可以跟踪undo日志链来查找可见版本

2、以下情况，行版本可见：

• 它是由当前事务创建的，或者
• 它是由在创建读视图(快照信息)之前提交的事务创建的，或者
• 这是创建读视图(快照信息)之前的最新版本

Lizard Vision增强

PolarDB-X 通过“Lizard Vision”扩展了 InnoDB 的 MVCC，该功能在基于事务 ID 的传统方法中增加了基于 GCN/SCN（全局/系统变更号）的可见性判断。这为时间点读取提供了额外的功能，并增强了一致性读。

锁系统

InnoDB 的锁系统与 MVCC 协同工作，以提供隔离。MVCC 处理读取操作，而锁则用于写入操作，以防止发生修改冲突。

锁类型

InnoDB 实现了几种类型的锁：

锁层次结构

死锁检测

InnoDB 包含一套复杂的死锁检测机制，它会定期检查锁等待周期。一旦发现死锁，就会回滚一个事务（通常是工作量最少的事务）来打破死锁循环。

undo日志

undo日志在 InnoDB 中起到两个重要作用：

• 通过记录修改数据的先前状态来启用事务回滚
• 通过提供对旧版本行的访问来支持 MVCC

undo日志结构

undo记录类型

InnoDB 使用几种类型的undo记录来跟踪不同类型的修改：

• 插入undo：记录有关插入行的信息；仅用于回滚，而不是 MVCC
• 更新undo：记录更新行的先前状态；用于回滚和 MVCC
• 删除标记undo：记录有关标记为删除的行的信息
• 删除undo：记录有关物理删除的行的信息

清理系统

清理系统负责删除不再需要的旧版本记录：

• 它处理已提交事务的历史列表
• 对于每个undo记录，它会检查该记录是否对任何活动事务不再可见
• 如果记录不可见，它会删除该记录，并且如果所有记录都已被清除，则可能会删除整个undo日志

恢复机制

InnoDB 通过使用redo日志和undo日志来确保崩溃后的持久性和一致性。

恢复过程

• 分析阶段：扫描重做日志以识别最后一个检查点和活动事务
• 重做阶段：应用重做日志中可能尚未到达磁盘的已提交更改
• 撤消阶段：使用undo日志回滚未完成的事务

XA事务恢复

对于分布式（XA）事务，处于已prepared状态的事务需要特殊的恢复过程：

• 在恢复期间识别已prepared的事务
• 保持prepared状态
• 等待事务协调器指示提交或回滚
• 完成相应的事务

隔离级别

InnoDB 支持四种具有不同保证的事务隔离级别：

事务ID管理

InnoDB 使用集中计数器维护事务 ID：

小结

InnoDB 的事务管理系统通过 MVCC、锁和日志记录机制的复杂组合，提供了强大的 ACID 合规性。可以处理从简单事务到复杂的分布式 XA 事务，并通过全面的恢复系统确保即使在崩溃后也能保持数据一致性。

该系统通过 MVCC 实现实现高并发性，同时保持严格的数据隔离保证。事务系统与缓冲池、文件系统和恢复机制的集成确保了事务的持久性，并确保数据库在意外关闭后能够恢复到一致状态。