第五章：併發控制 (MVCC & Locks) — 平行宇宙的魔法

1. 定義

MVCC (Multi-Version Concurrency Control) 是一種併發控制方法，常用於資料庫中以提供對數據的併發存取。

核心思想是：讀寫分離，互不阻塞。 當一個交易正在寫某行數據時，讀交易不會被阻塞，而是會讀取該行數據的一個舊版本（快照）。這就像每個人都在看數據的不同「平行宇宙」。

2. 技術深度：Undo Log 與 Read View

以 MySQL InnoDB 為例：

• Undo Log：當交易修改數據時，InnoDB 不會覆蓋舊數據，而是將舊數據複製到 Undo Log 中，並透過指標形成版本鏈。
• Read View：當交易啟動時，InnoDB 會生成一個 Read View，記錄當前所有「活躍」（未提交）的交易 ID。
• 可見性判斷：在讀取數據時，交易會拿數據行的版本號與 Read View 對比。如果版本號屬於「活躍」交易，說明該版本不可見，於是順著 Undo Log 找上一個版本。

3. 可視化：快照讀 (Snapshot Read)

sequenceDiagram
    participant TxA as 交易 A (讀取者)
    participant TxB as 交易 B (寫入者)
    participant DB as 數據行 (ID=1)
    participant Undo as Undo Log

    TxB->>DB: 1. UPDATE ID=1 SET Age=30 (原 Age=20)
    Note over DB: 行被鎖定 (X-Lock)<br/>Age 變為 30<br/>生成 Undo Log: Age=20
    
    TxA->>DB: 2. SELECT * FROM users WHERE ID=1
    Note over DB: 偵測到行被 TxB 鎖定
    
    DB->>Undo: 3. TxA 讀取 Undo Log 中的舊版本
    Undo-->>TxA: 4. 回傳 Age=20 (快照)
    
    TxB->>DB: 5. COMMIT
    Note over DB: 數據 Age=30 正式生效

4. 真實案例：GitHub 的主鍵衝突故障 (2018)

背景：GitHub 在進行 MySQL 資料庫遷移時。 現象：網站短暫不可用，寫入失敗。

原因：Auto-increment 鎖競爭與 Next-Key Lock。 雖然 MVCC 解決了讀寫衝突，但寫寫衝突依然需要鎖定。

1. Auto-inc Lock: 在進行大規模數據插入（INSERT INTO … SELECT）時，MySQL 的自增鎖在高併發下成為了瓶頸。
2. Next-Key Lock: 在 RR（可重複讀取）隔離級別下，為了防止幻讀，插入前的唯一性檢查（如 REPLACE INTO 或 INSERT ON DUPLICATE）可能會觸發 Next-Key Lock（鎖定索引間隙），具體取決於索引類型與執行計畫。在極高併發的衝突場景下極易引發嚴重的鎖定等待。

教訓：MVCC 並不是萬能的。在極高併發的寫入場景下，必須深入理解鎖定的粒度（Record vs. Gap vs. Next-Key）。

5. 深度最佳化與縱深防禦

A. 隔離級別的選擇

• Read Committed (RC)：每次查詢都生成新的 Read View。適合對即時性要求高的業務。
• Repeatable Read (RR)：交易啟動時生成一次 Read View。MySQL 預設級別；透過 Next-Key 鎖緩解了「鎖定讀取」場景下的幻讀問題，但普通快照讀取在不同實現下仍可能觀察到範圍異常。

B. 避免長交易

• 長交易意味著 Read View 需要保留很久。
• 這會導致 Undo Log 無法被清理（Purge），導致系統空間膨脹（History List Length 飆升），進而拖慢所有查詢（因為每次都要走過很長的版本鏈）。

C. 樂觀鎖 (Optimistic Locking)

對於非強一致性場景，可以在應用層使用版本號實現樂觀鎖，從而完全避免資料庫層面的行鎖。

UPDATE products SET stock = stock - 1 
WHERE id = 1 AND version = 5;

6. 參考資料

• MySQL 8.0 Reference: InnoDB Multi-Versioning
• VLDB Journal: An Empirical Evaluation of In-Memory MVCC
• GitHub Engineering: MySQL High Availability