PostgreSQL 的 MVCC 機制了解

PostgreSQL 使用多版本并發控制(MVCC)作為其核心并發控制機制，這是它與許多其他數據庫系統的關鍵區別之一。MVCC 允許讀操作不阻塞寫操作，寫操作也不阻塞讀操作，從而提供高度并發性。

一 MVCC 基本原理

1.1 MVCC 核心概念

• 多版本：每行數據可以有多個版本同時存在
• 快照隔離：每個事務看到的是數據庫在某個時間點的"快照"
• 無讀鎖：讀操作不需要獲取鎖，不會阻塞寫操作
• 寫操作優化：寫操作創建新版本而非直接修改現有數據

1.2 與傳統鎖機制對比

特性	傳統鎖機制	MVCC
讀-寫沖突	讀寫互相阻塞	讀寫不互相阻塞
并發度	較低	較高
實現復雜度	相對簡單	較復雜
存儲開銷	較小	較大(需要版本存儲)

二 PostgreSQL MVCC 實現細節

2.1 系統列(System Columns)

PostgreSQL 每行數據都包含幾個隱藏的系統列：

SELECT xmin, xmax, cmin, cmax, ctid, * FROM your_table;

• xmin：創建該行版本的事務ID(插入事務)
• xmax：刪除/鎖定該行版本的事務ID(初始為0)
• cmin/cmax：事務內的命令標識符
• ctid：行版本在表中的物理位置

2.2 事務狀態與可見性判斷

PostgreSQL 通過比較事務ID(xmin, xmax)和事務快照來判斷行版本是否可見：

1. 如果 xmin 未提交或晚于當前事務快照 → 不可見
2. 如果 xmax 已提交且早于當前事務快照 → 不可見(已刪除)
3. 否則可見

2.3 事務ID管理

• 事務ID是32位整數，約40億個可能值
• PostgreSQL 使用事務ID環繞保護機制
• 通過vacuum過程凍結舊的事務ID

三 MVCC 具體行為示例

3.1 插入操作

-- 事務1
BEGIN;
INSERT INTO test VALUES (1, 'data');
-- 此時xmin=當前事務ID, xmax=0
COMMIT;

3.2 更新操作(實際是刪除+插入)

-- 事務2
BEGIN;
UPDATE test SET value = 'new' WHERE id = 1;
-- 原行xmax設置為事務2的ID
-- 新行xmin=事務2的ID, xmax=0
COMMIT;

3.3 刪除操作

-- 事務3
BEGIN;
DELETE FROM test WHERE id = 1;
-- 行xmax設置為事務3的ID
COMMIT;

四 MVCC 存儲實現

4.1 表文件結構

• 主數據文件(oid)存儲當前行版本
• 每個行版本都包含xmin/xmax等系統字段
• 更新操作不會原地修改，而是創建新版本

4.2 事務快照

-- 查看當前事務快照
SELECT pg_current_snapshot();
-- 輸出示例: 100:100:
-- 格式為 xmin:xmax:xip_list

4.3 可見性映射(Visibility Map)

• 標記哪些數據塊只包含對所有事務可見的元組
• 加速vacuum過程

五 MVCC 維護機制

5.1 VACUUM 機制

-- 常規vacuum(不鎖表)
VACUUM [VERBOSE] [ANALYZE] table_name;-- 全量vacuum(需要鎖)
VACUUM FULL [VERBOSE] table_name;

VACUUM作用：

• 回收死元組占用的空間
• 凍結舊的事務ID防止環繞
• 更新優化器統計信息
• 更新可見性映射

5.2 自動vacuum

-- 查看自動vacuum設置
SELECT name, setting FROM pg_settings WHERE name LIKE 'autovacuum%';-- 重要參數
autovacuum = on                     -- 是否啟用
autovacuum_vacuum_threshold = 50    -- 觸發vacuum的更新/刪除元組閾值
autovacuum_analyze_threshold = 50   -- 觸發analyze的更新/刪除元組閾值
autovacuum_vacuum_scale_factor = 0.2-- 表大小的縮放因子

六 MVCC 優缺點分析

優勢

1. 高并發：讀寫不互相阻塞
2. 讀一致性：事務看到一致的快照
3. 避免鎖競爭：減少鎖等待時間
4. 回滾高效：不需要專門的回滾段

劣勢

1. 存儲開銷：需要保留多個版本
2. 維護成本：需要定期vacuum
3. 更新性能：更新實質是刪除+插入
4. 表膨脹：不當維護會導致空間浪費

七 MVCC 優化建議

7.1 合理配置autovacuum

-- 對大表調整autovacuum參數
ALTER TABLE large_table SET (autovacuum_vacuum_scale_factor = 0.05,autovacuum_vacuum_threshold = 10000
);

7.2 監控表膨脹

-- 查看表膨脹情況
SELECT schemaname, relname,pg_size_pretty(pg_relation_size(relid)) as size,n_dead_tup,n_live_tup
FROM pg_stat_user_tables
ORDER BY n_dead_tup DESC;

7.3 定期維護

-- 對大表定期手動vacuum
VACUUM (VERBOSE, ANALYZE) large_table;-- 在低峰期執行vacuum full
VACUUM FULL VERBOSE table_name;

7.4 事務設計優化

• 避免長時間運行的事務
• 將大事務拆分為小事務
• 避免在事務中執行不必要的查詢

謹記：心存敬畏，行有所止。