04 develop中间件mysql

深入理解mysql的事务隔离级别和底层实现原理

一、ACID特性

持久性，我们就不讲了，易懂。

1、原子性

在同一个事务内部的一组操作必须全部执行成功（或者全部失败）。
为了保证事务操作的原子性，必须实现基于日志的REDO/UNDO机制：将所有对数据的更新操作都写入日志，如果一个事务中的一部分操作已经成功，但以后的操作，由于断电/系统崩溃/其它的软硬件错误而无法继续，则通过回溯日志，将已经执行成功的操作撤销，从而达到“全部操作失败”的目的。 最常见的场景是，数据库系统崩溃后重启，此时数据库处于不一致的状态，必须先执行一个crash recovery的过程：读取日志进行REDO（重演将所有已经执行成功但尚未写入到磁盘的操作，保证持久性），再对所有到崩溃时尚未成功提交的事务进行UNDO（撤销所有执行了一部分但尚未提交的操作，保证原子性）。crash recovery结束后，数据库恢复到一致性状态，可以继续被使用。
某个应用在执行转帐的数据库操作时，必须在同一个事务内部调用对帐户A和帐户B的操作，才能保证数据的一致性。
但是，原子性并不能完全保证一致性。在多个事务并行进行的情况下，即使保证了每一个事务的原子性，仍然可能导致数据不一致的结果。 例如，事务1需要将100元转入帐号A：先读取帐号A的值，然后在这个值上加上100。但是，在这两个操作之间，另一个事务2修改了帐号A的值，为它增加了100元。那么最后的结果应该是A增加了200元。但事实上，事务1最终完成后，帐号A只增加了100元，因为事务2的修改结果被事务1覆盖掉了。
简而言之，就是：原子性仅能够保证单个事务的一致性。就像redis一样，也只能保证单操作的线程安全，并不能保证多操作下的线程安全。

2、一致性

按照我个人的理解，在事务处理的ACID属性中，一致性是最基本的属性，其它的三个属性都为了保证一致性而存在的。
我们举个反例来理解下一致性概念。例如：从帐户A转一笔钱到帐户B上，如果帐户A上的钱减少了，而帐户B上的钱却没有增加，那么我们认为此时数据处于不一致的状态。
为了保证并发情况下的一致性，引入了隔离性，即保证每一个事务能够看到的数据总是一致的，就好象其它并发事务并不存在一样。

3、隔离性

数据库四种隔离级别，以及常见的几种读异常，大家应该都是耳熟能详的，但数据库底层是怎么实现隔离性的呢？都采用了哪些技术呢？ 主要有两个技术：MVCC(多版本并发控制)和锁。

（1）MVCC(多版本并发控制)

多版本并发控制，顾名思义，在并发访问的时候，数据存在版本的概念，可以有效地提升数据库并发能力，常见的数据库如MySQL、MS SQL Server、IBM DB2、Hbase、MongoDB等等都在使用。
简单讲，如果没有MVCC，当想要读取的数据被其他事务用排它锁锁住时，只能互斥等待；而这时MVCC可以通过提供历史版本从而实现读取被锁的数据的历史版本，从而避免了互斥等待。
InnoDB采用的MVCC实现方式是：在需要时，通过undo日志构造出历史版本。

（2）锁

1) 锁的分类
  • Shared Locks(共享锁/S锁)
    若事务T对数据对象A加上S锁，则事务T只能读A；其他事务只能再对A加S锁，而不能加X锁，直到T释放A上的S锁。这就保证了其他事务可以读A，但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改。
  • Exclusive Locks(排它锁/X锁)
    若事务T对数据对象A加上X锁，则只允许T读取和修改A，其它任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁。它防止任何其它事务获取资源上的锁，直到在事务的末尾将资源上的原始锁释放为止。在更新操作(INSERT、UPDATE 或 DELETE)过程中始终应用排它锁。
    注意：排他锁会阻止其它事务再对其锁定的数据加读或写的锁，但是不加锁的就没办法控制了。
  • Record Locks(行锁)
    行锁，顾名思义，是加在索引行(对！是索引行！不是数据行！)上的锁。比如select * from user where id=1 and id=10 for update，就会在id=1和id=10的索引行上加Record Lock。
  • Gap Locks(间隙锁)
    间隙锁，它会锁住两个索引之间的区域。比如select * from user where id>1 and id<10 for update，就会在id为(1,10)的索引区间上加Gap Lock。
  • Next-Key Locks(间隙锁)
    也叫间隙锁，它是Record Lock + Gap Lock形成的一个闭区间锁。比如select * from user where id>=1 and id<=10 for update，就会在id为[1,10]的索引闭区间上加Next-Key Lock。
    这样组合起来就有，行级共享锁，表级共享锁，行级排它锁，表级排它锁。
2) 什么时候会加锁？

在数据库增删改查四种操作中，insert、delete和update都是会加排它锁(Exclusive Locks)的，而select只有显式声明才会加锁:
select: 即最常用的查询，是不加任何锁的
select … lock in share mode: 会加共享锁(Shared Locks)
select … for update: 会加排它锁

3) 四种隔离级别

不同的隔离级别是在数据可靠性和并发性之间的均衡取舍，隔离级别越高，对应的并发性能越差，数据越安全可靠。
READ UNCOMMITTED
顾名思义，事务之间可以读取彼此未提交的数据。机智如你会记得，在前文有说到所有写操作都会加排它锁，那还怎么读未提交呢？
机智如你，前面我们介绍排它锁的时候，有这种说明： 排他锁会阻止其它事务再对其锁定的数据加读或写的锁，但是对不加锁的读就不起作用了。
READ UNCOMMITTED隔离级别下, 读不会加任何锁。而写会加排他锁，并到事务结束之后释放。
实例1：
查-写：查并没有阻止写，表明查肯定并没有加锁，要不写肯定就阻塞了。写很明显，会加排它锁的。
实例2： 写-写：阻塞，表明，写会加排它锁。
READ COMMITTED
顾名思义，事务之间可以读取彼此已提交的数据。
InnoDB在该隔离级别(READ COMMITTED)写数据时，使用排它锁, 读取数据不加锁而是使用了MVCC机制。
因此，在读已提交的级别下，都会通过MVCC获取当前数据的最新快照，不加任何锁，也无视任何锁(因为历史数据是构造出来的，身上不可能有锁)。
但是，该级别下还是遗留了不可重复读和幻读问题： MVCC版本的生成时机: 是每次select时。这就意味着，如果我们在事务A中执行多次的select，在每次select之间有其他事务更新了我们读取的数据并提交了，那就出现了不可重复读，即：重复读时，会出现数据不一致问题，后面我们会讲解超支现象，就是这种引起的。
REPEATABLE READ
READ COMMITTED级别不同的是MVCC版本的生成时机，即：一次事务中只在第一次select时生成版本，后续的查询都是在这个版本上进行，从而实现了可重复读。
但是因为MVCC的快照只对读操作有效，对写操作无效，举例说明会更清晰一点： 事务A依次执行如下3条sql，事务B在语句1和2之间，插入10条age=20的记录，事务A就幻读了。

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1. select count(1) from user where age=20;
-- return 0: 当前没有age=20的
2. update user set name=test where age=20;
-- Affects 10 rows: 因为事务B刚写入10条age=20的记录，而写操作是不受MVCC影响，能看到最新数据的，
-- 所以更新成功，而一旦操作成功，这些被操作的数据就会对当前事务可见
3. select count(1) from user where age=20;
-- return 10: 出现幻读

REPEATABLE READ级别，可以防止大部分的幻读，但像前边举例读-写-读的情况，使用不加锁的select依然会幻读。
SERIALISABLE
大杀器，该级别下，会自动将所有普通select转化为select … lock in share mode执行，即针对同一数据的所有读写都变成互斥的了，可靠性大大提高，并发性大大降低。
读-写，写-写均互斥。

事务的四种隔离级别

脏读 不可重复读 幻读
Read uncommitted X X X
Read committed √ X X
Repeatable read √ √ X
Serializable √ √ √

  1. ISOLATION_READ_UNCOMMITTED：读未提交，这是事务最低的隔离级别，它充许令外一个事务可以看到这个事务未提交的数据。
    这种隔离级别会产生脏读，不可重复读和幻像读。、

  2. ISOLATION_READ_COMMITTED：读已提交，保证一个事务修改的数据提交后才能被另外一个事务读取。另外一个事务不能读取该事务未提交的数据

  3. ISOLATION_REPEATABLE_READ：可重复读，这种事务隔离级别可以防止脏读，不可重复读。但是可能出现幻像读。
    它除了保证一个事务不能读取另一个事务未提交的数据外，还保证了避免下面的情况产生(不可重复读)。

  4. ISOLATION_SERIALIZABLE：串行化，这是花费最高代价但是最可靠的事务隔离级别。事务被处理为顺序执行。
    除了防止脏读，不可重复读外，还避免了幻像读。

4）总结：几类读异常*

读-写-读，引起的异常

脏读：读取了脏数据(不存在的数据)。 事务一读 事务二写(未提交) 事务二读(脏数据) 事务二回滚

不可重复读：既可以读取修改的数据，也可以读取新增的数据(幻读)。 事务一读 事务二写(更新已提交) 事务二读(数据不一致，不可重复读)

幻读：仅可以读取新增的数据，但是无法读取修改的数据； 事务一读 事务二写(新增已提交) 事务二读(数据不一致，幻读)

附命令
查看表的加锁情况: select * from information_schema.INNODB_LOCKS;
事务状态 select * from information_schema.INNODB_TRX;