面试题：PostgreSQL可见性判断机制与MVCC的关系

Question

详细说明PostgreSQL的可见性判断机制是怎样依托多版本并发控制（MVCC）来实现高并发场景下的数据一致性与隔离性的？请从数据版本管理、并发事务处理等角度进行分析。

Answer 1

数据版本管理

1. 元组（Tuple）版本：在PostgreSQL中，每个数据行（元组）都有多个版本。当数据更新时，并非直接修改原数据，而是创建新的版本。每个元组头部包含 xmin 和 xmax 字段，xmin 记录插入该元组的事务ID，xmax 记录删除或更新该元组的事务ID（如果尚未删除或更新，则 xmax 为0）。
2. 事务ID管理：事务ID是一个递增的数字，每当启动一个新事务，就会分配一个新的事务ID。这些事务ID用于标记元组的版本，使得系统能够跟踪数据的变化历史。

并发事务处理

1. 读操作：
   • 快照（Snapshot）机制：当一个事务开始读操作时，PostgreSQL会创建一个事务快照。这个快照记录了当前活跃事务的列表。读操作只会看到在快照创建之前提交的事务对数据的修改。也就是说，读操作不会看到正在进行中的事务（活跃事务）所做的更改，从而实现了读一致性。
   • 可见性判断：对于一个元组，读操作会根据其 xmin 和 xmax 以及事务快照来判断是否可见。如果 xmin 对应的事务已提交且 xmax 为0或者 xmax 对应的事务已回滚，那么该元组对当前读事务可见。
2. 写操作：
   • 写时复制（Copy - on - Write）：在写操作时，不会直接修改旧版本的数据，而是创建新的数据版本。这样，旧版本的数据仍然可以被其他正在进行的读事务访问，保证了读操作不会被写操作阻塞。
   • 并发控制：对于更新和删除操作，会先判断目标元组是否符合可见性规则（例如，目标元组的 xmax 应为0，即未被其他事务标记删除或更新）。如果符合，会更新 xmax 为当前事务ID，并插入新的版本。如果不符合，说明该元组已被其他事务修改，可能需要进行重试等操作。

隔离级别实现

1. 读未提交（Read Uncommitted）：这种隔离级别下，读操作可以看到其他未提交事务的修改，PostgreSQL并不支持标准的读未提交隔离级别。因为MVCC机制默认读操作看不到未提交事务的修改。
2. 读已提交（Read Committed）：每个语句执行时创建新的事务快照。这意味着每个语句只能看到在该语句执行前已提交的事务对数据的修改。对于并发事务，不同语句执行时可能看到不同的数据状态，因为事务快照不同。
3. 可重复读（Repeatable Read）：事务开始时创建一个事务快照，整个事务期间都使用这个快照。所以在同一个事务内，多次读操作看到的数据状态是一致的，不会受到其他并发事务提交的影响。
4. 串行化（Serializable）：在可重复读的基础上，通过对事务进行排序和检测潜在的读写冲突来实现。PostgreSQL使用SI（Serializable Isolation）算法，在事务提交时检查是否存在读写冲突，如果存在冲突，则回滚事务，从而保证事务的串行化执行效果，确保数据一致性和隔离性。

通过上述的数据版本管理和并发事务处理机制，PostgreSQL依托MVCC实现了高并发场景下的数据一致性与隔离性。