PostgreSQL事务实现

事务简介

• 事务管理器：有限状态机
  • 日志管理器
    • CLOG：事务的执行结果
    • XLOG：undo/redo日志
  • 锁管理器：实现并发控制，读阶段采用MVCC，写阶段采用锁控制实现不同的隔离级别

PostgreSQL为每条事务创建一个postgre进程，并发执行事务。采用分层的机制执行事务，上层事务块和底层事务。上层事务块是用户眼中的事务，用于控制事务执行的状态；底层事务是事务中的每条语句，可以改变上层事务块的状态。

上层事务块

每个postgre进程只有一个事务块，上层事务块记录着本次事务执行过程中的各个状态。

typedef enum TBlockState
{
	/* not-in-transaction-block states */
	TBLOCK_DEFAULT,				/* idle */
	TBLOCK_STARTED,				/* 执行简单查询事务 */

	/* transaction block states */
	TBLOCK_BEGIN,				/* 遇见事务开始BEGIN */
	TBLOCK_INPROGRESS,			/* 事务正在执行中 */
	TBLOCK_PARALLEL_INPROGRESS, /* live transaction inside parallel worker */
	TBLOCK_END,					/* 遇见事务结束COMMIT/END的时候设置 */
	TBLOCK_ABORT,				/* 事务出错，等待ROLLBACK */
	TBLOCK_ABORT_END,			/* 事务出错，收到ROLLBACK */
	TBLOCK_ABORT_PENDING,		/* 事务处理中，接收到ROLLBACK */
	TBLOCK_PREPARE,				/* 事务处理中，收到PREPARE(分布式事务) */

	/* subtransaction states */
	TBLOCK_SUBBEGIN,			/* starting a subtransaction */
	TBLOCK_SUBINPROGRESS,		/* live subtransaction */
	TBLOCK_SUBRELEASE,			/* RELEASE received */
	TBLOCK_SUBCOMMIT,			/* COMMIT received while TBLOCK_SUBINPROGRESS */
	TBLOCK_SUBABORT,			/* failed subxact, awaiting ROLLBACK */
	TBLOCK_SUBABORT_END,		/* failed subxact, ROLLBACK received */
	TBLOCK_SUBABORT_PENDING,	/* live subxact, ROLLBACK received */
	TBLOCK_SUBRESTART,			/* live subxact, ROLLBACK TO received */
	TBLOCK_SUBABORT_RESTART		/* failed subxact, ROLLBACK TO received */
} TBlockState;

常见的事务块状态转换图

• startTransactionCommand：事务块中每条语句执行前都会调用。
• commitTransactionCommand：事务块中每条语句执行结束都会调用
• abortCurrentTransaction：事务块中语句执行错误，在调用点调用
• BeginTransactionBlock：遇见BEGIN命令调用，状态变为TBLOCK_BEGIN
• EndTransactionBlock：遇见END调用，可能成功提交，也可能回滚
• AbortTransactionBlock：遇见ABORT指令调用

底层事务

底层事务是需要执行的每条命令，负责处理资源和锁的获取和释放，信号的处理，日志记录等等

typedef enum TransState
{
	TRANS_DEFAULT,				/* idle */
	TRANS_START,				/* transaction starting */
	TRANS_INPROGRESS,			/* inside a valid transaction */
	TRANS_COMMIT,				/* commit in progress */
	TRANS_ABORT,				/* abort in progress */
	TRANS_PREPARE				/* prepare in progress */
} TransState;

主要有四个函数：

• StartTransaction：由BEGIN的startTransactionCommand调用，调用结束后事务块状态为TBLOCK_STARTED
• CommitTransaction：由END的commitTransactionCommand调用，提交事务
• AbortTransaction和CleanupTransaction：释放资源，恢复默认状态

分布式事务

PostgreSQL提供了分布式事务中的，两阶段提交的接口

并发控制

PostgreSQL采用MVCC的方式进行并发控制，每个事务看到的是一段时间前的数据快照。同时，MVCC并不能够解决所有问题，所以也提供了行级和表级的锁。

标准的事务隔离级别有4个，而PostgreSQL只实现了读已提交和可串行化。

锁

PostgreSQL实现了8种锁(可怕)

太多了，就记住几个吧。

• 行共享锁：select for update/for share
• 表共享锁：select
• 行排他锁：insert/update/delete
• 表排他锁：drop

加锁的对象

• 表
  • 表锁
  • 会话锁
  • 扩展锁：新增表空间
• 页：对索引页面
• 元组：
• 事务：

死锁处理

• postgresql检测出最后一个等待的杀掉，oracle是第一个等待的杀掉
• 死锁检测算法(等待图)

MVCC

关键词：

• 基于事务ID
• 行级多版本
• 无回滚段，行内存储
  • 一次UPDATE，产生记录两个版本
  • 两个版本都存在页面内部

typedef struct HeapTupleFields
{
	TransactionId t_xmin;		/* Insert，Update事务 */
	TransactionId t_xmax;		/* Delete，Update，Row Locks事务ID */

	union
	{
		CommandId	t_cid;		/* 操作ID */
		TransactionId t_xvac;	/* old-style VACUUM FULL xact ID */
	}			t_field3;
} HeapTupleFields;

cmin:插入该元组的命令在插入事务中的命令标识（从0开始累加）

cmax:删除该元组的命令在插入事务中的命令标识（从0开始累加）

ctid：相当于rowid ， <数据块ID，偏移量>

XID:事务ID

Xid_snapshot:当前系统中未提交的事务

CLOG：事务状态日志(已提交的日志)

隔离级别

1. RC：读已提交
   1. 两个事务可以并发更新同一行
   2. 一个事务更新，一个事务删除同一行，删除操作会上锁
2. RR：读未提交，其实是snapshot isolation，(冲突状态会回滚)
3. 可串行化：serialize snapshot isolation，比标准可串行化要高,通过加内存中的意向锁实现，不允许预加锁的数据被其他事务变更

数据可见性判断

1. 记录的头部XID信息比当前事务更早(rr和ssi有这个要求，read commited没有这个要求，读已经提交可以读未来的事务！！)
2. 记录头部的XID信息不在当前的XID_snapshot中，(记录上的事务状态不是未提交的事务)
3. 记录头部的XID信息在CLOG中代表已提交。

• MVCC需要判断该行数据在这个事务中的有效性，可见性，可更新性(需要锁的帮助才能正确执行隔离级别)
• 判断条件：若xmin等于当前事务ID，则包含所有xmax=0（未被删除）的元组。
  
  若与xmin相等的事务ID对应的事务已经被提交，则包含所有xmax=0或xmax为当前事务ID的元组。
• 实现概要
  • 对读不用加锁，对写加锁(只阻塞写)，事务结束对比是否冲突

多行数据需要过期版本回收

1. 页面级：页面访问时回收
2. 表级/系统级： autovacuum； vacuum

日志

1. pg_log:数据库活动日志（也就是数据库的操作日志）；
2. pg_xlog:事务日志，记录事务的执行过程，redo日志
3. pg_clog:事务状态日志（pg_clog是pg_xlog的辅助日志），记录事务的结果。