HBase中MVCC的实现机制及应用情况

MVCC（Multi-Version Concurrent Control），即多版本并发控制协议，广泛使用于数据库系统。本文将介绍HBase中对于MVCC的实现及应用情况。

在介绍MVCC概念之前，我们先来想一下数据库系统里的一个问题：假设有多个用户同时读写数据库里的一行记录，那么怎么保证数据的一致性呢？一个基本的解决方法是对这一行记录加上一把锁，将不同用户对同一行记录的读写操作完全串行化执行，由于同一时刻只有一个用户在操作，因此一致性不存在问题。但是，它存在明显的性能问题：读会阻塞写，写也会阻塞读，整个数据库系统的并发性能将大打折扣。

MVCC（Multi-Version Concurrent Control），即多版本并发控制协议，它的目标是在保证数据一致性的前提下，提供一种高并发的访问性能。在MVCC协议中，每个用户在连接数据库时看到的是一个具有一致性状态的镜像，每个事务在提交到数据库之前对其他用户均是不可见的。当事务需要更新数据时，不会直接覆盖以前的数据，而是生成一个新的版本的数据，因此一条数据会有多个版本存储，但是同一时刻只有最新的版本号是有效的。因此，读的时候就可以保证总是以当前时刻的版本的数据可以被读到，不论这条数据后来是否被修改或删除。

更多关于MVCC基本思想的介绍，参考Wikipedia。

一个MVCC实现类

见org.apache.hadoop.hbase.regionserver.MultiVersionConsistencyControl，用于控制Memstore中读写的一致性，其中维护两个long型的变量：

1）memstoreRead：用于记录当前全局可读的readPoint，同时为了每个客户端读请求能够记录自己发起请求时刻的readPoint，还有一个ThreadLocal的perThreadReadPoint变量，以及相关的set和get方法；

2）memstoreWrite：用于记录当前全局最大的writePoint，根据它为下个事务生成新的writePoint。

MultiVersionConsistencyControl中关键的实现方法如下：

1）WriteEntry beginMemstoreInsert()：开始一个更新操作，将memstoreWrite加1，创建writeQueue并插入到writeQueue，并返回WriteEntry对象；

2）void completeMemstoreInsert(WriteEntry e)：完成当前更新操作，将WriteEntry对象标记为可读，具体分两步：

boolean advanceMemstore(WriteEntry e)：从头开始遍历writeQueue，移除所有已完成的WriteEntry对象，最后将memstoreRead更新为最新已完成的memstoreWrite；
void waitForRead(WriteEntry e)：阻塞当前线程，直到memstoreRead等于当前WriteEntry的memstoreWrite，至此表明当前WriteEntry之前的所有更新事务都已经完成。

MVCC使用场景

见org.apache.hadoop.hbase.regionserver.HRegion.java，每个Region包含一个Memstore，维护一个MultiVersionConsistencyControl对象。

写操作

见HRegion.java中的以下写操作的方法：

1）put

2）checkAndPut

3）delete

4）checkAndDelete

5）internalFlushcache

6）mutateRow

7）mutateRowsWithLocks

8）batchMutate

最终会调用到applyFamilyMapToMemstore方法使用MVCC进行写操作：

  /**
   * Atomically apply the given map of family->edits to the memstore.
   * This handles the consistency control on its own, but the caller
   * should already have locked updatesLock.readLock(). This also does
   * <b>not</b> check the families for validity.
   *
   * @param familyMap Map of kvs per family
   * @param localizedWriteEntry The WriteEntry of the MVCC for this transaction.
   *        If null, then this method internally creates a mvcc transaction.
   * @return the additional memory usage of the memstore caused by the
   * new entries.
   */
  private long applyFamilyMapToMemstore(Map<byte[], List<KeyValue>> familyMap,
    MultiVersionConsistencyControl.WriteEntry localizedWriteEntry) {
    long size = 0;
    boolean freemvcc = false;

    try {
      if (localizedWriteEntry == null) {
        localizedWriteEntry = mvcc.beginMemstoreInsert();
        freemvcc = true;
      }

      for (Map.Entry<byte[], List<KeyValue>> e : familyMap.entrySet()) {
        byte[] family = e.getKey();
        List<KeyValue> edits = e.getValue();

        Store store = getStore(family);
        for (KeyValue kv: edits) {
          kv.setMemstoreTS(localizedWriteEntry.getWriteNumber());
          size += store.add(kv);
        }
      }
    } finally {
      if (freemvcc) {
        mvcc.completeMemstoreInsert(localizedWriteEntry);
      }
    }

     return size;
   }

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