多版本并发控制与数据库事务

# 1. 简介

## 1.1 什么是多版本并发控制

多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control，简称MVCC）是一种数据库并发控制机制，用于解决多个事务同时并发执行时可能出现的数据一致性问题。

在传统的并发控制机制中，读和写操作会对数据库中的数据加锁，以保证数据的一致性。但是加锁机制会导致事务之间的相互阻塞，从而降低数据库的并发性能。而MVCC通过在数据库中保存多个版本的数据，每个事务都能够读取到自己的数据版本，从而实现事务之间的隔离，提高并发性能。

## 1.2 数据库事务的概念

数据库事务是指一组数据库操作，这些操作要么全部成功执行，要么全部失败回滚。事务具有以下特性：

* 原子性（Atomicity）：事务中的操作要么全部执行成功，要么全部执行失败回滚，不存在部分执行的情况。
* 一致性（Consistency）：事务的执行必须使数据库从一个一致性状态变为另一个一致性状态，即数据库的完整性约束不会被破坏。
* 隔离性（Isolation）：并发执行的事务之间要相互隔离，不受其他事务的干扰。
* 持久性（Durability）：一旦事务提交成功，对数据库的修改就是永久性的，即使系统崩溃也不会丢失。

通过多版本并发控制，数据库可以实现对事务的隔离性要求，从而保证数据库的一致性和完整性。在接下来的章节中，我们将介绍多版本并发控制的原理、事务隔离级别以及实现技术。

# 2. 多版本并发控制的原理

数据库的多版本并发控制是一种用于实现事务隔离性的方法。它基于对数据进行版本控制来实现并发访问的并发控制。在多版本并发控制中，每次数据的修改都会生成一个新的版本，而不是直接对原始数据进行修改。不同事务在读取数据时，可以根据自己的需求选择不同的版本进行读取，从而实现并发访问时的隔离性。

### 2.1 基于时间戳的并发控制

基于时间戳的并发控制是一种常用的多版本并发控制技术。每个事务在开始执行时会被分配一个唯一的时间戳，用于标识事务的顺序。在基于时间戳的并发控制中，每个读操作都会记录事务开始时的时间戳，并且只能读取在该时间点之前提交的数据版本。这样可以保证一个事务只能读取到已经提交的数据，从而实现了读已提交的隔离级别。

当一个事务提交时，它的时间戳将会被记录下来。在之后开始的事务中，只能读取这个时间戳之前提交的数据版本。这样可以避免脏读和不可重复读的问题。然而，基于时间戳的并发控制可能会导致无效读问题，即一个事务可能读取到另一个事务已经修改但尚未提交的数据版本。

基于时间戳的并发控制需要维护大量的时间戳信息和数据版本信息，对系统的开销较大，因此在实际应用中往往需要进行优化。

### 2.2 基于快照隔离级别的并发控制

快照隔离级别是一种基于多版本并发控制的隔离级别。在快照隔离级别下，每个事务在开始执行时会创建一个数据的快照，用于读取数据。这样可以保证事务在执行期间读取到的数据版本是一致的，即不会被其他事务的修改所影响。

在快照隔离级别下，事务在读取数据时只能读取到快照创建时的数据版本，而不能读取到其他事务修改但尚未提交的数据版本。这样可以避免脏读和不可重复读的问题。但是快照隔离级别可能导致幻读问题，即一个事务读取到了其他事务插入的数据。

快照隔离级别对系统的开销较小，适合高并发的场景。但是对于需要严格的隔离性要求，可能需要使用更高级别的隔离级别。

通过对多版本并发控制的原理的了解，我们可以更好地理解事务隔离性以及隔离级别的概念，为后续的章节提供基础知识。

# 3. 数据库事务的特性与ACID原则

数据库事务是指作为单个逻辑工作单元执行的一系列操作，要么全部成功，要么全部失败，具有四个特性和符合ACID原则：

#### 3.1 原子性

事务是一个不可分割的工作单位，将数据库从一种一致性状态转变到另一种一致性状态。事务在执行过程中发生错误，会被回滚到事务开始前的状态，就好像事务从未执行一样。

#### 3.2 一致性

事务执行前后，数据库的完整性约束没有被破坏。即使在事务执行过程中出现了错误，数据库也能保持一致性状态。

#### 3.3 隔离性

多个事务同时执行时，每个事务都应该有各自独立的操作空间，互相之间无法感知对方的存在。

#### 3.4 持久性

一旦事务提交，其修改的数据应该被永久保存在数据库中，就算数据库发生故障，修改的数据也不会丢失。

这些特性和原则保证了事务的可靠性和数据库操作的正确性。

# 4. 多版本并发控制与事务隔离级别

在数据库中，事务隔离级别是指多个并发执行的事务之间的可见性和影响的程度。多版本并发控制是一种实现不同事务隔离级别的技术。接下来我们将介绍四个常见的事务隔离级别以及它们与多版本并发控制的关系。

### 4.1 读未提交（Read Uncommitted）

在读未提交的事务隔离级