面试题：PostgreSQL如何利用MVCC解决并发事务冲突

Question

详细说明PostgreSQL中多版本并发控制（MVCC）机制是怎样在并发事务环境中解决数据读写冲突的，包括其原理、实现方式以及对系统性能的影响。

Answer 1

原理

1. 数据版本标识：PostgreSQL 为每个数据行添加两个隐藏字段，xmin 和 xmax。xmin 记录插入该行的事务 ID，xmax 记录删除或更新该行的事务 ID（若未删除或更新则为 0）。当一个事务开始时，会被分配一个唯一的事务 ID。
2. 可见性规则：
   • 当一个事务读取数据时，它会根据自身事务 ID 与数据行的 xmin 和 xmax 来判断该行数据是否可见。如果 xmin 对应的事务已提交且 xmin 小于当前事务 ID，并且（xmax 为 0 或者 xmax 对应的事务已回滚或者 xmax 大于当前事务 ID），则该行数据对当前事务可见。
   • 这样，读操作不会被写操作阻塞，因为读操作只关心数据的可见性，而不是数据的最新版本。写操作也不会被读操作阻塞，因为写操作创建新的数据版本，而不是直接修改旧版本。

实现方式

1. 事务隔离级别：通过不同的事务隔离级别来实现 MVCC 的不同应用场景。例如，读已提交（Read Committed）隔离级别下，每个语句开始时创建一个新的快照，只读取已提交事务的数据版本；可重复读（Repeatable Read）隔离级别下，事务开始时创建一个快照，整个事务期间都基于这个快照读取数据，保证了事务内多次读取数据的一致性。
2. 回滚段：PostgreSQL 使用回滚段来存储旧版本的数据。当数据被更新或删除时，旧版本的数据会被保存到回滚段中，以便在需要时进行版本追溯和一致性读。例如，当一个事务需要读取旧版本数据时，系统会从回滚段中获取相应版本的数据。

对系统性能的影响

1. 优点：
   • 高并发性能：由于读写操作不相互阻塞，在高并发环境下，系统的吞吐量得到显著提升。例如，在一个包含大量读操作的数据库应用中，写操作可以并发执行，不会因为读操作而等待，反之亦然。
   • 减少锁争用：MVCC 机制减少了传统锁机制带来的锁争用问题。在传统锁机制下，写操作需要获取排他锁，读操作需要获取共享锁，容易导致锁等待和死锁。而 MVCC 通过版本控制，避免了大部分锁争用情况。
2. 缺点：
   • 存储开销：每个数据行需要额外存储 xmin 和 xmax 字段，并且旧版本数据需要保存在回滚段中，这增加了存储空间的需求。特别是在频繁更新的场景下，回滚段可能会占用大量空间。
   • 垃圾回收开销：需要定期清理回滚段中的旧版本数据，这涉及到垃圾回收机制。垃圾回收过程可能会消耗系统资源，影响系统性能。例如，在垃圾回收过程中，可能需要扫描大量的回滚段数据，判断哪些数据可以被回收。