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盖国强

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2021-02-23

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从 MVCC 机制看 POSTGRESQL 的应用场景

PostgreSQL 和 MYSQL 是目前应用最为广泛的两个开源数据库，PostgreSQL 因为其伯

克利授权方式而更受到一些想利用开源数据库系统开发自主可控的企业数据库平台的企业

和用户所青睐。关于 PostgreSQL 和 MYSQL 到底哪个数据库性能好，以及 PostgreSQL 能否

替代 Oracle 数据库，在企业级应用中使用，是大家所关心的问题。本文从 PostgreSQL 的多

版本并发访问（MVCC）机制角度，分析 PostgreSQL 较为适合的应用场景。

MVCC 是 Multi-Version Concurrency Control 的英文缩写，翻译成中文就是多版本并

发控制。多版本并发控制的主要目的是为了提高在线事务处理系统(OLTP 系统）中的读操

作的性能问题。

事务与事务隔离是现代关系型数据库的重要基础，通过所需要的事务隔离级别，来确保

应用系统读取到的数据是符合业务逻辑的。事务隔离级别包含 read uncommitted(level 0，

脏读)、read committed(level 1，提交读)、repeatable read(level 2，可重复读)、

serializable(level 3，串行化)。其中脏读可以读取任何脏数据，因此不需要任何锁或者

其他并发控制机制支持，并发性最好，串行化强制事务串行执行，并发能力最弱。提交读-Read

committed 也叫一致性读，是目前在线联机事务（OLTP）系统中最为常见的事务隔离级别。

传统的事务理论采用锁机制来实现并发控制，简单的说，写操作使用排它锁，排斥其他

操作；读操作使用共享锁，排斥写操作，但是可以支持其他读操作。随着信息化系统的发展，

并发访问量越来越大，这种读写互斥锁的机制对并发访问的性能造成了极大的影响。1981

年位于马萨诸塞州剑桥的美国计算机公司（Computer Corporation of America）的两位技

术人员 PHILIP A. BERNSTEIN AND NATHAN GOODMAN 发表了一篇具有历史意义的论文

“Concurrency Control in Distributed Database Systems”，这篇以分布式数据库中并

发控制为主要议题的论文中，提出了一种全新的并发控制算法，基于时间戳顺序的多版本并

发控制机制（SYNCHRONIZATION TECHNIQUES BASED ON TIMESTAMP ORDERING）。这个全新的

并发控制算法为数据库厂商提高并发能力提供了一条心的途径。DEC 公司的 VAX/RDB 是第一

个采用多版本并发控制机制的商用关系型数据库，随后 Oracle 4.0 也开始支持 MVCC，IBM DB2

一直采用其独有的并发控制机制 Generalized Search Tme (GiST)，直到 DB2 9.7 才全面支

持 MVCC。到目前为止，绝大多数商用和开源数据库都已经全面支持多版本并发控制机制，

多版本并发控制机制也已经成为交易型关系型数据库的标准配置。

Bernstein 和 Goodman 创造性的提出了基于 Timestamp Ordering（T/O）的多版本并发

控制理论，对每个写操作记录 Timestamp，如下图：

如果读操作 dm-read(95)需要读取 Timestamp 95 的数据，那么当前的最新写操作的

Timestamp 是 100，而小于 95 的最大 Timestamp 是 94，那么直接读取 dm-write(94)的值就可

以了，也就是 Vn-1。

不同数据库实现多版本并发控制的方式是不同的，比如 Oracle 数据库的 T/O 使用的是

一种类时间戳的机制 SCN（System Change Number），SCN 是每个事物提交的序号，是严

格按照时间顺序增长的。PostgreSQL 和 Mysql 则采用了事物 ID（XID），事物 ID 也是严格

按照时间顺序产生的，因此也满足 T/O 的基本要求。在 MVCC 的实现粒度方面，Oracle 采

用的是页级并发控制，通过一致读数据页（Consistent Read Block，CR BLOCK）的机制实

现多版本，而 PostgreSQL 和 Mysql 则采用行级多版本控制机制。

Oracle 的多版本并发控制机制一致是业界公认的较为优秀的，多版本并发控制机制，其

特点是对读写操作的支持较为均衡，在高并发环境下有较好的性能。下面我们将通过分析

Oracle、PostGreSQL 和 Mysql 的多并发控制算法，分析这三种数据库在不同应用场景下的

并发性能。

Oracle 的多版本并发控制是基于 Oracle UNDO/回滚段机制的，在回滚段中保存了某个

数据被修改之前的前映像的数据。在每条记录的记录头（kdrh）中，kdrhlock 指向前一次修

改该数据的事务槽（ITL）的位置，在 ITL 中记录了该次修改的 SCN 信息，以及回滚段的地

址信息。其结构如下图：

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