pg并发控制

当多个事务同时在数据库中运行时，并发控制是一种用于维持一致性与隔离性的技术，一致性与隔离性是ACID的两个属性。

ACID指数据库事务正确执行的四个基本要素的缩写：

• 原子性(Atomicity)
• 一致性(Consistency)
• 隔离性(lsolation)
• 持久性(Durability)

从宽泛的意义上讲，有三种并发控制技术，分别是多版本并发控制、严格两阶段锁定和乐观并发控制。每项技术都有多种变体。

PostgreSQL中的事务隔离等级

事务隔离等级

事务标识

每当事务开始时，事务管理器就会为其分配一个成为事务标识的唯一标识符。pg的txid是一个32位无符号整数，取之空间大小约为42亿。在事务启动后执行内置的txid_current()函数，即可获取当前事务的txid。

获取事务txid

pg保留三个特殊的txid:

• 0表示无效的txid
• 1表示初始起动的txid，仅用于数据库集群的初始化过程
• 2表示冻结的txid，仅用于数据库集群的初始化过程

txid可以相互比较大小。且在逻辑上无限。

txid并非是在begin命令执行时分配的。在pg中当执行begin命令后的第一条命令时，事务管理器才会分配txid，并真正启动其事务。

元组结构

堆元组可分为普通元组和TOAST元组两类。下面介绍普通元组。

堆元组由三个部分组成，即HeapTupleHeaderData结构，控制位图及用户数据。

元组结构

其中有四个字段需要了解：

• t_xmin保存插入此元组的事务的txid。
• t_xmax保存删除或更新此元组的事务的txid。如果尚未删除或更新此元组，则t_xmax设置为0，即无效。
• t_cid保存命令标识(cid) ，cid的意思是在当前事务中，执行当前命令之前执行了多少sql命令，从0开始计数。
• t_ctid保存着指向自身或新元组的元组标识符(tid)。tid用于标识表中的元组。在更新该元组时，t_ctid会指向新版本的元组，否则t_ctid会指向自己。

元组的增、删、改

元组的具体表示如图：

元组的具体表示

插入

在插入操作中，新元组将直接插入目标表的页面中：

插入的新元组

假设元组时由txid=99的事务插入页面中的，在这种情况下，被插入元组的首部字段会依一下步骤设置。

Tuple_1:

• t_xmin设置为99，因为此远足由txid=99的事务所插入。
• t_xmax设置为0，因为此元组尚未被删除或更新。
• t_cid设置为0,因为此元组时由txid=99的事务所执行的第一条命令插入的。
• t_ctid设置为(0,1)，指向自身，因为这是该元组的最新版本。

pg自带了一个第三方贡献的扩展模块pageinsepect，可以用于检查数据库页面的具体内容。

检查数据库页面的具体内容

删除

在删除操作中，目标元组只是在逻辑上被标记为删除。目标元组的t_xmax字段将被设置为执行delete命令事务的txid。

删除元组

假设Tuple_1被txid=111的事务删除。在这种情况下，Tuple_1首部字段t_xmax被设为111。

如果txid=111的事务已经提交，就不一定要Tuple_1。通常不需要的元组在pg中被称为死元组。

死元组最终将从页面中被移除。清除死元组的过程被称为清理(VACUUM)过程。

更新

在更新操作中，pg在逻辑上实际执行的是删除最新的元组，并插入一条新的元组。

更新元组

过程如图所示，就不再详细讨论。

需要理解的是：如果txid=100的事务已经提交，那么Tuple_1和Tuple_2就成了死元组，而如果txid=100的事务种植，Tuple_2和Tuple_3就成了死元组。

空闲空间映射

插入堆或索引元组时，pg使用表与索引相应的FSM来选择可供插入的页面。

表和索引都有各自的FSM。每个FSm存储着相应表或索引文件中每个页面可用空间容量的信息。

所有FSM都以后缀存储，在需要时他们会被加载到共享内存中。

扩展pg_freespacemap能提供特定表或索引上的空闲空间信息。一下查询列出了特性表中每个页面的空闲率。

testdb=# CREATE EXTENSION pg_freespacemap;
CREATE EXTENSION

testdb=# SELECT *, round(100 * avail/8192 ,2) as "freespace ratio"
                FROM pg_freespace('accounts');
 blkno | avail | freespace ratio 
-------+-------+-----------------
     0 |  7904 |           96.00
     1 |  7520 |           91.00
     2 |  7136 |           87.00
     3 |  7136 |           87.00
     4 |  7136 |           87.00
     5 |  7136 |           87.00
....

提交日志

pg在提交日志（CLOG）中保存事务的状态。提交日志分配与共享内存中，并用于事务处理过程的全过程。

事务状态

pg定义了4中事务状态，即

• IN_PROGRESS
• COMMITTED
• ABORTED
• SUB_COMMITTED

前三种状态很好理解。而SUB_COMMITTED状态用于子事务。这里不详细描述。

提交日志如何工作

提交日志(CLOG)在逻辑上是一个数组，由共享内存中一路系列8KB页面组成。数组的序号索引对应着相应事务的标识，其内容则是相应事务的状态。

CLOG结构

T1：txid 200提交；txid 200的状态从IN_PROGRESS变为COMMITTED。

T2：txid 201终止；txid 201的状态从INPROGRESS变为ABORTED。

txid不断前进，当CLOG空间耗尽无法存储新的事务状态时，就会追加分配一个新的页面。

当需要获取事务的状态时，pg将调用相应内部函数读取CLOG，并返回所请求的事务的状态。

提交日志的维护

当pg关机或执行存档过程时，CLOG数据会写入pg_clog子目录下的文件中。这些文件被命名为0000,0001等。文件最大尺寸为256KB。

当pg启动时会加载存储在pg_clog中的文件，用其数据初始化CLOG。

CLOG的大小会不断增长，因为只要CLOG一天慢就会追加新的页面。但并非所有数据都是必要的。

事务快照

事务快照是一个数据集，存储着某个特定事务在某个时间点所看到的状态信息：哪些事务处于活跃状态。活跃状态意味着事务正在进行中或还没有开始。

内置函数txid_current_snapshot及其文本表示

获取快照信息

txid_current_snapshot的文本标识是xmin:xmax:xip_list，各部分描述如下。

• xmin

  最早仍然活跃的事务的txid。所有比它更早的事务(txid < xmin)，要么已经提交并可见，要么已经回滚并生成死元组。

• xmax

  第一个尚未分配的txid。所有txid>=xmax的事务在获取快照时尚未启动，因此结果对当前事务不可见。

• xip_list

  获取快照时活跃事务的txid列表。该列表仅包括xmin和xmax之间的txid。

例如，在快照100 : 104 : 100, 102中，xmin是100，xmax是104, 而xip_list为100，102。

两个例子

事务快照时由事务管理器提供的。在READ COMMITTED隔离级别，事务在执行每条SQL时都会获取快照，在其他情况下，事务只会在执行第一条SQL命令时获取一次快照。获取的事务快照用于元组的可见性检查。

使用获取的快照进行可见性检查时，所有活跃的事务都必须被当成IN_PROGRESS的事务同等对待，无论他们实际上是否已经提交或终止。这条规则非常重要，因为它正是READ COMMITTED和REPEATABLE READ/SERIALIZABLE隔离级别中表现差异的根本来源。

可见性检查规则

可见性检查规则是一组规则，用于确定一条元组是否对一个事务可见，可见性检查会用到元组的t_min和t_xmax，提交日志CLOG，以及已获取的事务快照。所选规则有10调，可以分为三种情况。

t_xmin的状态为ABORTED

t_xmin的状态为ABORTED的元组始终不可见，因为插入此元组的事务已中止。

 /* t_xmin status == ABORTED */
Rule 1: IF t_xmin status is 'ABORTED' THEN
                  RETURN 'Invisible'
            END IF

该规则明确表示为以下数学表达式。

规则1: If Status(t_xmin) = ABORTED ⇒ Invisible

t_xmin的状态为IN_PROGRESS

t_xmin状态为INPROGRESS的元组基本上是不可见的（规则3和规则4），但在一个条件下例外。

/* t_xmin status == IN_PROGRESS */
              IF t_xmin status is 'IN_PROGRESS' THEN
                   IF t_xmin = current_txid THEN
Rule 2:              IF t_xmax = INVALID THEN
                  RETURN 'Visible'
Rule 3:              ELSE  /* this tuple has been deleted or updated by the current transaction itself. */
                  RETURN 'Invisible'
                         END IF
Rule 4:        ELSE   /* t_xmin ≠ current_txid */
                  RETURN 'Invisible'
                   END IF
             END IF

如果该元组被另一个进行中的事务插入，则该元组显然是不可见的。（规则3）

如果t_min等于当前事务的txid（即当前事务插入了该元组），且t_xmax != 0，则该元组是不可见的，因为它已被当前事务更新或删除。（规则2）

有个例外是，当前事务插入此元组且t_xmax = 0(当前元组尚未被更新或删除)。在这种情况下，此元组对当前事务可见。

规则2： If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin = current_txid ∧ t_xmax = INVAILD ⇒ Visible

规则3： If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin = current_txid ∧ t_xmax ≠ INVAILD ⇒ Invisible

规则4： If Status(t_xmin) = IN_PROGRESS ∧ t_xmin ≠ current_txid ⇒ Invisible

t_xmin状态为COMMITTED

t_xmin状态为COMMITTED的元组时可见的，但在三个条件下除外。

 /* t_xmin status == COMMITTED */
            IF t_xmin status is 'COMMITTED' THEN
Rule 5:      IF t_xmin is active in the obtained transaction snapshot THEN
                      RETURN 'Invisible'
Rule 6:      ELSE IF t_xmax = INVALID OR status of t_xmax is 'ABORTED' THEN
                      RETURN 'Visible'
                 ELSE IF t_xmax status is 'IN_PROGRESS' THEN
Rule 7:           IF t_xmax =  current_txid THEN
                            RETURN 'Invisible'
Rule 8:           ELSE  /* t_xmax ≠ current_txid */
                            RETURN 'Visible'
                      END IF
                 ELSE IF t_xmax status is 'COMMITTED' THEN
Rule 9:           IF t_xmax is active in the obtained transaction snapshot THEN
                            RETURN 'Visible'
Rule 10:         ELSE
                            RETURN 'Invisible'
                      END IF
                 END IF
            END IF

规则5：If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmin) = active ⇒ Invisible

规则6：If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ (t_xmax = INVALID ∨ Status(t_xmax) = ABORTED) ⇒ Visible

规则7：If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = IN_PROGRESS ∧ t_xmax = current_txid ⇒ Invisible

规则8：If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = IN_PROGRESS ∧ t_xmax ≠ current_txid ⇒ Visible

规则9： If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmax) = active ⇒ Visible

规则10：If Status(t_xmin) = COMMITTED ∧ Status(t_xmax) = COMMITTED ∧ Snapshot(t_xmax) ≠ active ⇒ Invisible