Wprowadzenie do kontroli współbieżności wielu wersji (MVCC)
W nowoczesnych systemach baz danych współbieżność ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia spójności i wydajności danych w środowisku, w którym jednocześnie odbywa się wiele transakcji. Jedną z efektywnych technik zarządzania współbieżnością w relacyjnych bazach danych jest kontrola współbieżności wielu wersji (MVCC). W tym podejściu utrzymuje się oddzielne wersje rekordów, umożliwiając czytelnikom dostęp do spójnej migawki bazy danych bez blokowania przez trwające operacje zapisu.
MVCC rozwiązuje konflikty, tworząc wiele wersji rekordów bez jawnych blokad, redukując w ten sposób rywalizację o blokady i poprawiając wydajność. Jest to szczególnie ważne w środowiskach o dużej liczbie transakcji i dużej współbieżności, w których dokonywane są częste modyfikacje danych. MVCC zapewnia spójność bazy danych, umożliwiając transakcjom dostęp tylko do wersji rekordów ważnych w momencie transakcji, bez wpływu na widok innych równoległych transakcji.
Przebieg pracy MVCC: tworzenie, aktualizowanie i usuwanie rekordów
Aby zrozumieć, jak działa MVCC, przejdziemy przez proces tworzenia, aktualizowania i usuwania rekordów w systemie, który implementuje tę technikę kontroli współbieżności.
- Tworzenie rekordów : Kiedy do bazy danych zostaje wstawiony nowy rekord, MVCC przypisuje mu unikalny identyfikator transakcji. Ten identyfikator służy do śledzenia wersji rekordu w całym cyklu życia.
- Aktualizacja rekordów : w przypadku aktualizacji rekordów MVCC zapewnia, że różne transakcje mogą modyfikować ten sam rekord bez konfliktów. Kiedy transakcja próbuje zaktualizować rekord, system bazy danych tworzy nową wersję rekordu i przypisuje jej identyfikator transakcji. Oryginalna wersja rekordu pozostaje nienaruszona, umożliwiając dostęp do niej innym transakcjom. Nowa wersja rekordu obowiązuje tylko dla transakcji aktualizującej i wszelkich przyszłych transakcji, które rozpoczną się po zakończeniu tej transakcji.
- Usuwanie rekordów : Kiedy transakcja usuwa rekord, MVCC nie usuwa go bezpośrednio z bazy danych. Zamiast tego oznacza rekord jako usunięty (poprzez przypisanie identyfikatora transakcji jako znacznika usunięcia), zachowując jednocześnie dostęp do poprzednich wersji rekordu dla innych transakcji. Gdy wszystkie aktywne transakcje nie będą już wymagać dostępu do usuniętego rekordu, system MVCC zbierze śmieci i trwale usunie rekord z bazy danych.
System bazy danych może zapewnić spójną migawkę danych dostosowaną do potrzeb różnych transakcji, przechowując wiele wersji rekordów i odpowiadających im identyfikatorów transakcji. Aktywne transakcje uzyskują dostęp do najnowszej wersji rekordu ważnej w momencie rozpoczęcia transakcji, zapewniając spójność i serializację bez konieczności jawnych blokad.
Plusy i minusy MVCC: równoważenie wydajności i spójności
Chociaż MVCC zapewnia kilka korzyści, w tym zwiększoną współbieżność i zoptymalizowaną wydajność, ma również pewne ograniczenia. Omówmy zalety i wady używania MVCC w systemie relacyjnej bazy danych.
Zalety MVCC
- Większa współbieżność : MVCC umożliwia jednoczesne uruchamianie wielu transakcji, zapewniając im czystą migawkę danych. Zmniejsza to rywalizację o blokady, zapobiegając niepotrzebnemu blokowaniu transakcji.
- Zoptymalizowana wydajność : unikając konieczności jawnego blokowania, MVCC umożliwia szybsze operacje odczytu i zapisu. Prowadzi to do optymalizacji wydajności, szczególnie w środowiskach o dużej współbieżności.
- Ulepszona izolacja : MVCC zapewnia izolację pomiędzy współbieżnymi transakcjami, dostarczając migawki dostosowane do czasu rozpoczęcia każdej transakcji. Dzięki temu transakcje mogą działać niezależnie i spójnie, bez wpływu na widok danych innych transakcji.
Wady MVCC
- Zwiększone obciążenie pamięci : MVCC wymaga utrzymywania wielu wersji każdego rekordu, co może prowadzić do zwiększenia obciążenia pamięci. Jednak ten narzut można zmniejszyć do akceptowalnego poziomu, optymalizując mechanizmy przechowywania i usuwania śmieci.
- Złożone usuwanie elementów bezużytecznych : Do zarządzania przestarzałymi wersjami rekordów utworzonymi przez MVCC potrzebny jest wyrafinowany mechanizm usuwania elementów bezużytecznych. Może to prowadzić do pewnej złożoności systemu bazy danych, szczególnie w środowiskach o dużej liczbie transakcji.
- Zmniejszone gwarancje spójności w określonych scenariuszach : MVCC może w niektórych przypadkach prowadzić do zmniejszonych gwarancji spójności. Takie sytuacje zwykle występują w przypadku konfliktów odczytu i zapisu lub jeśli system bazy danych używa poziomów izolacji zapewniających słabsze gwarancje spójności, takich jak poziomy izolacji dla odczytu i niezatwierdzonego odczytu. Jest to jednak ogólnie akceptowalny kompromis, biorąc pod uwagę liczne zalety MVCC.
Chociaż z MVCC wiążą się pewne wyzwania i złożoność, oferuje on skuteczne rozwiązanie do zarządzania współbieżnością, zapewniania spójności danych i poprawy wydajności w relacyjnych bazach danych. Rozumiejąc i właściwie wdrażając MVCC, programiści i administratorzy baz danych mogą zapewnić użytkownikom płynną i wydajną obsługę baz danych.
Popularne systemy relacyjnych baz danych wykorzystujące MVCC
Kilka popularnych systemów zarządzania relacyjnymi bazami danych (RDBMS) wykorzystuje MVCC w celu poprawy współbieżności i optymalizacji wydajności. Oto przegląd niektórych powszechnie używanych systemów wdrażających MVCC.
PostgreSQL
Jeden z wiodących systemów relacyjnych baz danych typu open source, PostgreSQL , obsługuje MVCC w celu skutecznej izolacji transakcji, optymalizacji współbieżności i zapewnienia spójności danych. PostgreSQL wykorzystuje technikę izolacji migawek, która oddziela transakcje odczytu i zapisu oraz utrzymuje różne migawki danych dla każdej transakcji. Takie podejście ogranicza rywalizację o blokady i pozwala na jednoczesne wykonanie wielu transakcji bez opóźnień.
MySQL (silnik pamięci masowej InnoDB)
MySQL to kolejny popularny system relacyjnych baz danych typu open source. Chociaż domyślny silnik pamięci masowej MyISAM nie obsługuje MVCC, silnik pamięci InnoDB, który jest również zalecany w większości przypadków użycia, implementuje MVCC w celu poprawy wydajności i współbieżności. Podczas korzystania z InnoDB MySQL utrzymuje wiele wersji rekordów, aby umożliwić jednoczesne operacje odczytu i zapisu, zmniejszając w ten sposób rywalizację o blokady i poprawiając wydajność.
Wyrocznia
Oracle Database, jeden z dominujących komercyjnych systemów baz danych, wykorzystuje technologię MVCC w celu utrzymania spójności danych i zwiększenia wydajności. Oracle wykorzystuje kombinację mechanizmów spójności odczytu i zapisu, dzięki czemu zapewnia czytelnikom spójną migawkę danych, a jednocześnie umożliwia autorom modyfikowanie danych bez blokowania innych transakcji.
Microsoft SQL Server (poziom izolacji migawki)
Microsoft SQL Server to kolejny ważny komercyjny system RDBMS. Chociaż domyślnie nie używa MVCC, obsługuje poziom izolacji migawki, który umożliwia model MVCC. Używając izolacji migawkowej, SQL Server może utrzymywać różne wersje wierszy danych, umożliwiając jednoczesne operacje odczytu i zapisu przy zmniejszonej rywalizacji o blokady i zwiększonej wydajności.
MVCC z AppMaster: wykorzystanie kontroli współbieżności
Platforma AppMaster bez kodu umożliwia programistom tworzenie aplikacji, które mogą bezproblemowo współpracować z relacyjnymi bazami danych, w tym tymi, które wykorzystują MVCC do kontroli współbieżności i optymalizacji wydajności. Świadomość możliwości MVCC i efektywne ich wykorzystanie jest niezbędne do tworzenia wydajnych, skalowalnych i wydajnych aplikacji.
Narzędzia do programowania wizualnego AppMaster umożliwiają programistom modelowanie i projektowanie schematów danych, tworzenie interfejsów API REST oraz projektowanie interfejsów aplikacji internetowych i mobilnych, które płynnie współpracują z relacyjnymi bazami danych. Aplikacje generowane przez AppMaster współpracują z dowolną bazą danych kompatybilną z PostgreSQL jako głównym magazynem danych, dzięki czemu programiści mogą używać MVCC w PostgreSQL.
Platforma AppMaster generuje kod źródłowy dla aplikacji backendowych w Go (golang), aplikacji webowych wykorzystujących framework Vue3 oraz aplikacji mobilnych wykorzystujących Kotlin i Jetpack Compose dla Androida oraz SwiftUI dla iOS. Dzięki skutecznie zaimplementowanej logice biznesowej aplikacja może wchodzić w interakcję z bazą danych w wydajny i zoptymalizowany sposób, jednocześnie wykorzystując zalety MVCC w zakresie kontroli współbieżności.
Przyszłe trendy i innowacje
Świat zarządzania bazami danych stale się rozwija, a MVCC pozostaje liderem tych udoskonaleń. W nowoczesnych technologiach baz danych przyszłość MVCC i jego zastosowań kształtuje kilka kluczowych trendów i innowacji.
- MVCC w nowoczesnych technologiach baz danych: MVCC pozostaje centralną funkcją nowoczesnych systemów zarządzania bazami danych. W miarę wzrostu ilości danych i konieczności kontroli współbieżności staje się coraz bardziej krytyczna, dostawcy baz danych inwestują w ulepszanie implementacji MVCC. Opracowywane są nowe algorytmy i optymalizacje, aby zapewnić wydajność MVCC nawet w środowiskach o dużej przepustowości.
- Konsekwencje dla skalowalności i systemów rozproszonych: Skalowalność jest głównym problemem we współczesnych aplikacjach intensywnie przetwarzających dane. Nieodłączna obsługa współbieżności MVCC sprawia, że dobrze nadaje się do rozproszonych systemów baz danych. W miarę jak organizacje coraz częściej przyjmują architektury rozproszone do obsługi ogromnych ilości danych, MVCC zapewnia podstawę do utrzymania spójności i izolacji danych w rozproszonych węzłach. Jest to szczególnie ważne w scenariuszach, w których należy uzyskać dostęp do danych i je modyfikować z wielu lokalizacji geograficznych jednocześnie.
- Ewoluujące podejście do MVCC: Chociaż MVCC udowodniło swoją wartość, ciągłe badania i innowacje prowadzą do opracowania nowych podejść i optymalizacji. Inżynierowie baz danych badają odmiany MVCC, takie jak izolacja migawek i izolacja migawek z możliwością serializacji, aby uwzględnić konkretne przypadki użycia i dostroić wydajność. Te ewoluujące podejścia równoważą dużą spójność danych i wysoką współbieżność, umożliwiając bazom danych dostosowywanie się do wymagań różnorodnych aplikacji.
Zaangażowanie w wydajność, skalowalność i możliwości adaptacji charakteryzuje przyszłość MVCC w relacyjnych bazach danych. W miarę wzrostu objętości i złożoności danych MVCC pozostaje kamieniem węgielnym systemów baz danych, zapewniając integralność danych i wspierając wymagania nowoczesnych aplikacji. Przyjmując ewoluujące podejścia i wykorzystując mocne strony MVCC w środowiskach rozproszonych, sfera baz danych jest przygotowana na ciągłe innowacje i ulepszenia.
Wniosek
Kontrola współbieżności wielu wersji (MVCC) to kluczowa technika w systemach zarządzania relacyjnymi bazami danych, zapewniająca spójność danych, zmniejszająca rywalizację o blokady i optymalizująca wydajność w scenariuszach z wieloma jednoczesnymi transakcjami. Kilka dobrze znanych systemów baz danych, w tym PostgreSQL, MySQL (InnoDB), Oracle i Microsoft SQL Server (poziom izolacji migawki), implementuje MVCC w celu lepszego zarządzania współbieżnością.
Podczas tworzenia aplikacji współpracujących z relacyjnymi bazami danych istotne jest zrozumienie możliwości MVCC i upewnienie się, że aplikacja je wykorzystuje. Platforma AppMaster no-code umożliwia tworzenie aplikacji, które mogą wydajnie współpracować z bazami danych obsługującymi MVCC, oferując zoptymalizowaną wydajność i kontrolę współbieżności bez konieczności obszernej ręcznej interwencji.
