Einführung in die Multiversion Concurrency Control (MVCC)
In modernen Datenbanksystemen ist Parallelität von entscheidender Bedeutung, um Datenkonsistenz und Leistung in einer Umgebung sicherzustellen, in der mehrere Transaktionen gleichzeitig stattfinden. Eine effiziente Technik zur Verwaltung der Parallelität in relationalen Datenbanken ist Multiversion Concurrency Control (MVCC). Bei diesem Ansatz werden separate Versionen von Datensätzen verwaltet, sodass Leser auf einen konsistenten Datenbank-Snapshot zugreifen können, ohne durch laufende Schreibvorgänge blockiert zu werden.
MVCC löst Konflikte, indem es mehrere Versionen von Datensätzen ohne explizite Sperren erstellt, wodurch Sperrkonflikte reduziert und die Leistung verbessert werden. Dies ist besonders wichtig in Umgebungen mit vielen Transaktionen und hoher Parallelität, in denen häufig Änderungen an den Daten vorgenommen werden. MVCC stellt die Datenbankkonsistenz sicher, indem es Transaktionen ermöglicht, nur auf die zum Zeitpunkt der Transaktion gültigen Datensatzversionen zuzugreifen, ohne die Ansicht anderer gleichzeitiger Transaktionen zu beeinträchtigen.
MVCC-Workflow: Datensätze erstellen, aktualisieren und löschen
Um zu verstehen, wie MVCC funktioniert, werden wir den Prozess des Erstellens, Aktualisierens und Löschens von Datensätzen in einem System durchlaufen, das diese Parallelitätskontrolltechnik implementiert.
- Erstellen von Datensätzen : Wenn ein neuer Datensatz in die Datenbank eingefügt wird, weist MVCC dem Datensatz eine eindeutige Transaktions-ID zu. Diese ID wird verwendet, um die Version des Datensatzes während seines gesamten Lebenszyklus zu verfolgen.
- Aktualisieren von Datensätzen : Bei Datensatzaktualisierungen stellt MVCC sicher, dass verschiedene Transaktionen denselben Datensatz ohne Konflikte ändern können. Wenn eine Transaktion versucht, einen Datensatz zu aktualisieren, erstellt das Datenbanksystem eine neue Version des Datensatzes und weist ihr die Transaktions-ID zu. Die Originalversion des Datensatzes bleibt unberührt, sodass andere Transaktionen darauf zugreifen können. Die neue Version des Datensatzes ist nur für die Aktualisierungstransaktion und alle zukünftigen Transaktionen gültig, die nach Abschluss dieser Transaktion beginnen.
- Datensätze löschen : Wenn eine Transaktion einen Datensatz löscht, entfernt MVCC den Datensatz nicht direkt aus der Datenbank. Stattdessen wird der Datensatz als gelöscht markiert (indem die Transaktions-ID als Löschmarkierung zugewiesen wird), während die vorherigen Datensatzversionen für den Zugriff durch andere Transaktionen verfügbar bleiben. Sobald alle aktiven Transaktionen keinen Zugriff mehr auf den gelöschten Datensatz erfordern, sammelt das MVCC-System den Datenmüll und entfernt den Datensatz dauerhaft aus der Datenbank.
Das Datenbanksystem kann eine konsistente Momentaufnahme der Daten bereitstellen, die auf die Anforderungen verschiedener Transaktionen zugeschnitten ist, indem mehrere Versionen von Datensätzen und ihre jeweiligen Transaktions-IDs gespeichert werden. Aktive Transaktionen greifen auf die aktuellste Datensatzversion zu, die zum Zeitpunkt ihres Transaktionsstarts gültig war, und stellen so Konsistenz und Serialisierung sicher, ohne dass explizite Sperren erforderlich sind.
Vor- und Nachteile von MVCC: Leistung und Konsistenz in Einklang bringen
Während MVCC mehrere Vorteile bietet, darunter erhöhte Parallelität und optimierte Leistung, weist es auch einige Einschränkungen auf. Lassen Sie uns die Vor- und Nachteile der Verwendung von MVCC in einem relationalen Datenbanksystem besprechen.
Vorteile von MVCC
- Erhöhte Parallelität : MVCC ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Transaktionen, indem es ihnen einen sauberen Snapshot der Daten liefert. Dies reduziert Sperrkonflikte und verhindert, dass Transaktionen unnötig blockiert werden.
- Optimierte Leistung : Durch die Vermeidung der Notwendigkeit einer expliziten Sperrung ermöglicht MVCC schnellere Lese- und Schreibvorgänge. Dies führt zu einer optimierten Leistung, insbesondere in Umgebungen mit hoher Parallelität.
- Verbesserte Isolierung : MVCC bietet Isolierung zwischen gleichzeitigen Transaktionen, indem es Snapshots bereitstellt, die auf die Startzeit jeder Transaktion zugeschnitten sind. Dadurch können Transaktionen unabhängig und konsistent ablaufen, ohne die Sicht anderer Transaktionen auf die Daten zu beeinträchtigen.
Nachteile von MVCC
- Erhöhter Speicheraufwand : MVCC erfordert die Verwaltung mehrerer Versionen jedes Datensatzes, was zu einem erhöhten Speicheraufwand führen kann. Dieser Overhead kann jedoch durch die Optimierung der Speicher- und Garbage-Collection-Mechanismen auf ein akzeptables Maß reduziert werden.
- Komplexe Garbage Collection : Um veraltete, von MVCC erstellte Datensatzversionen zu verwalten, ist ein ausgefeilter Garbage-Collection-Mechanismus erforderlich. Dies kann zu einer gewissen Komplexität im Datenbanksystem führen, insbesondere in Umgebungen mit vielen Transaktionen.
- Reduzierte Konsistenzgarantien in bestimmten Szenarien : MVCC kann in bestimmten Fällen zu reduzierten Konsistenzgarantien führen. Diese Situationen treten typischerweise bei Lese-/Schreibkonflikten auf oder wenn das Datenbanksystem Isolationsstufen verwendet, die schwächere Konsistenzgarantien bieten, wie etwa Isolationsstufen mit festgeschriebenem Lesezugriff und nicht festgeschriebenem Lesezugriff. Angesichts der zahlreichen Vorteile von MVCC ist dies jedoch im Allgemeinen ein akzeptabler Kompromiss.
Obwohl mit MVCC einige Herausforderungen und Komplexitäten verbunden sind, bietet es eine effektive Lösung für die Verwaltung der Parallelität, die Gewährleistung der Datenkonsistenz und die Verbesserung der Leistung in relationalen Datenbanken. Durch das Verständnis und die ordnungsgemäße Implementierung von MVCC können Entwickler und Datenbankadministratoren Benutzern ein nahtloses und effizientes Datenbankerlebnis bieten.
Beliebte relationale Datenbanksysteme mit MVCC
Mehrere gängige relationale Datenbankverwaltungssysteme (RDBMS) nutzen MVCC für verbesserte Parallelität und Leistungsoptimierung. Hier finden Sie einen Überblick über einige der weit verbreiteten Systeme, die MVCC implementieren.
PostgreSQL
Eines der führenden relationalen Open-Source-Datenbanksysteme, PostgreSQL , unterstützt MVCC, um Transaktionen effektiv zu isolieren, die Parallelität zu optimieren und die Datenkonsistenz sicherzustellen. PostgreSQL verwendet eine Snapshot-Isolationstechnik, die Lese- und Schreibtransaktionen trennt und für jede Transaktion unterschiedliche Daten-Snapshots verwaltet. Dieser Ansatz reduziert Sperrenkonflikte und ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Transaktionen ohne Verzögerung.
MySQL (InnoDB-Speicher-Engine)
MySQL ist ein weiteres beliebtes relationales Open-Source-Datenbanksystem. Obwohl die Standardspeicher-Engine von MyISAM MVCC nicht unterstützt, implementiert die InnoDB-Speicher-Engine, die ebenfalls für die meisten Anwendungsfälle empfohlen wird, MVCC, um Leistung und Parallelität zu verbessern. Bei Verwendung von InnoDB verwaltet MySQL mehrere Versionen der Datensätze, um gleichzeitige Lese- und Schreibvorgänge zu ermöglichen, wodurch Sperrkonflikte reduziert und die Leistung verbessert werden.
Orakel
Oracle Database, eines der dominierenden kommerziellen Datenbanksysteme, nutzt MVCC, um die Datenkonsistenz aufrechtzuerhalten und die Leistung zu verbessern. Oracle verwendet eine Kombination aus Lese- und Schreibkonsistenzmechanismen, die es den Lesern ermöglicht, einen konsistenten Snapshot der Daten bereitzustellen, während es den Autoren ermöglicht, die Daten zu ändern, ohne andere Transaktionen zu blockieren.
Microsoft SQL Server (Snapshot-Isolationsstufe)
Microsoft SQL Server ist ein weiteres bekanntes kommerzielles RDBMS. Obwohl MVCC standardmäßig nicht verwendet wird, unterstützt es den Snapshot Isolation Level, der das MVCC-Modell ermöglicht. Durch die Verwendung der Snapshot-Isolation kann der SQL Server verschiedene Versionen von Datenzeilen verwalten und so gleichzeitige Lese- und Schreibvorgänge mit weniger Sperrkonflikten und erhöhter Leistung ermöglichen.
MVCC mit AppMaster: Vorteile der Parallelitätskontrolle nutzen
Die No-Code- Plattform von AppMaster ermöglicht es Entwicklern, Anwendungen zu erstellen, die nahtlos mit relationalen Datenbanken zusammenarbeiten können, einschließlich solcher, die MVCC zur Parallelitätskontrolle und Leistungsoptimierung verwenden. Um leistungsstarke, skalierbare und effiziente Anwendungen zu erstellen, ist es wichtig, die Fähigkeiten von MVCC zu kennen und sie effektiv zu nutzen.
Mit den visuellen Entwicklungstools von AppMaster können Entwickler das Datenschema modellieren und entwerfen, REST-APIs erstellen und Web- und mobile Anwendungsschnittstellen entwerfen, die nahtlos mit relationalen Datenbanken zusammenarbeiten. Von AppMaster generierte Anwendungen funktionieren mit jeder PostgreSQL-kompatiblen Datenbank als primärem Datenspeicher und stellen so sicher, dass Entwickler MVCC in PostgreSQL verwenden können.
Die Plattform von AppMaster generiert Quellcode für Backend-Anwendungen in Go (Golang), Webanwendungen mit dem Vue3- Framework und mobile Anwendungen mit Kotlin und Jetpack Compose für Android und SwiftUI für iOS. Wenn die Geschäftslogik effizient implementiert ist, kann Ihre Anwendung auf leistungsstarke und optimierte Weise mit der Datenbank interagieren und gleichzeitig die Vorteile von MVCC für die Parallelitätskontrolle nutzen.
Zukünftige Trends und Innovationen
Die Welt des Datenbankmanagements entwickelt sich ständig weiter und MVCC bleibt an der Spitze dieser Fortschritte. Bei modernen Datenbanktechnologien prägen mehrere wichtige Trends und Innovationen die Zukunft von MVCC und seinen Anwendungen.
- MVCC in modernen Datenbanktechnologien: MVCC bleibt ein zentrales Merkmal moderner Datenbankverwaltungssysteme. Da die Datenmengen wachsen und der Bedarf an Parallelitätskontrolle immer wichtiger wird, investieren Datenbankanbieter in die Verbesserung von MVCC-Implementierungen. Es werden neue Algorithmen und Optimierungen entwickelt, um sicherzustellen, dass MVCC auch in Umgebungen mit hohem Durchsatz effizient bleibt.
- Auswirkungen auf Skalierbarkeit und verteilte Systeme: Skalierbarkeit ist in den heutigen datenintensiven Anwendungen ein Hauptanliegen. Aufgrund der inhärenten Unterstützung von Parallelität eignet sich MVCC gut für verteilte Datenbanksysteme. Da Unternehmen zunehmend verteilte Architekturen zur Verarbeitung großer Datenmengen einsetzen, bietet MVCC die Grundlage für die Aufrechterhaltung der Datenkonsistenz und -isolation über verteilte Knoten hinweg. Dies ist besonders wichtig in Szenarien, in denen von mehreren geografischen Standorten gleichzeitig auf Daten zugegriffen und diese geändert werden müssen.
- Sich weiterentwickelnde Ansätze für MVCC: Während MVCC seinen Wert unter Beweis gestellt hat, führen laufende Forschung und Innovation zur Entwicklung neuer Ansätze und Optimierungen. Datenbankingenieure erforschen Variationen von MVCC, wie z. B. Snapshot-Isolation und serialisierbare Snapshot-Isolation, um spezifische Anwendungsfälle zu adressieren und die Leistung zu optimieren. Diese sich weiterentwickelnden Ansätze vereinen starke Datenkonsistenz und hohe Parallelität und ermöglichen so die Anpassung von Datenbanken an unterschiedliche Anwendungsanforderungen.
Ein Engagement für Effizienz, Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit kennzeichnet die Zukunft von MVCC in relationalen Datenbanken. Da das Datenvolumen und die Komplexität zunimmt, bleibt MVCC ein Eckpfeiler von Datenbanksystemen, der die Datenintegrität gewährleistet und die Anforderungen moderner Anwendungen unterstützt. Durch die Übernahme sich weiterentwickelnder Ansätze und die Nutzung der Stärken von MVCC in verteilten Umgebungen ist der Datenbankbereich für weitere Innovationen und Verbesserungen gerüstet.
Abschluss
Multiversion Concurrency Control (MVCC) ist eine entscheidende Technik in relationalen Datenbankverwaltungssystemen, um die Datenkonsistenz sicherzustellen, Sperrkonflikte zu reduzieren und die Leistung in Szenarien mit mehreren gleichzeitigen Transaktionen zu optimieren. Mehrere bekannte Datenbanksysteme, darunter PostgreSQL, MySQL (InnoDB), Oracle und Microsoft SQL Server (Snapshot-Isolationsstufe), implementieren MVCC für eine verbesserte Parallelitätsverwaltung.
Bei der Entwicklung von Anwendungen, die mit relationalen Datenbanken interagieren, ist es wichtig, die Fähigkeiten von MVCC zu verstehen und sicherzustellen, dass Ihre Anwendung diese nutzt. Mit der no-code Plattform von AppMaster können Sie Anwendungen erstellen, die effizient mit MVCC-fähigen Datenbanken arbeiten können und optimierte Leistung und Parallelitätskontrolle bieten, ohne dass umfangreiche manuelle Eingriffe erforderlich sind.
