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。

MVCC基本原理

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;
  }

View Code

读操作

HRegion.java中通过private ConcurrentHashMap<RegionScanner, Long> scannerReadPoints;维护各个查询请求的readPoint。

以get或scan请求为例,最终会通过getScanner方法需要构造RegionScannerImpl对象:

org.apache.hadoop.hbase.regionserver.HRegion.RegionScannerImpl:

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