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  • MySQL事物原理及事务隔离级别

    mysql事物

    事务是访问数据库的一个操作序列,数据库应用系统通过事务集来完成对数据库的存取。事务的正确执行使得数据库从一种状态转换为另一种状态

    事务必须服从ISO/IEC所制定的ACID原则。ACID是原子性(atomicity)、一致性(consistency)、隔离性(isolation)、持久性(durability)的缩写,这四种状态的意思是:

    1、原子性

    即不可分割,事务要么全部被执行,要么全部不执行。如果事务的所有子事务全部提交成功,则所有的数据库操作被提交,数据库状态发生变化;如果有子事务失败,则其他子事务的数据库操作被回滚,即数据库回到事务执行前的状态,不会发生状态转换

    2、一致性

    事务的执行使得数据库从一种正确状态转换成另外一种正确状态

    3、隔离性

    在事务正确提交之前,不允许把事务对该数据的改变提供给任何其他事务,即在事务正确提交之前,它可能的结果不应该显示给其他事务

    4、持久性

    事务正确提交之后,其结果将永远保存在数据库之中,即使在事务提交之后有了其他故障,事务的处理结果也会得到保存

    ACID 实现原理

    首先介绍一下 MySQL 的事务日志。MySQL 的日志有很多种,如二进制日志、错误日志、查询日志、慢查询日志等。

    此外 InnoDB 存储引擎还提供了两种事务日志:

    redo log(重做日志)

    undo log(回滚日志)

    其中 redo log 用于保证事务持久性;undo log 则是事务原子性和隔离性实现的基础。

    原子性:

    InnoDB 实现回滚,靠的是 undo log:

    当事务对数据库进行修改时,InnoDB 会生成对应的 undo log。如果事务执行失败或调用了 rollback,导致事务需要回滚,便可以利用 undo log 中的信息将数据回滚到修改之前的样子。undo log 属于逻辑日志,它记录的是 sql 执行相关的信息。当发生回滚时,InnoDB 会根据 undo log 的内容做与之前相反的工作:

    对于每个 insert,回滚时会执行 delete。对于每个 delete,回滚时会执行 insert。对于每个 update,回滚时会执行一个相反的 update,把数据改回去。以 update 操作为例:当事务执行 update 时,其生成的 undo log 中会包含被修改行的主键(以便知道修改了哪些行)、修改了哪些列、这些列在修改前后的值等信息,回滚时便可以使用这些信息将数据还原到 update 之前的状态。

    持久性:

    持久性是指事务一旦提交,它对数据库的改变就应该是永久性的。接下来的其他操作或故障不应该对其有任何影响。

    redo log 和 undo log 都属于 InnoDB 的事务日志。下面先聊一下 redo log 存在的背景。

    InnoDB 作为 MySQL 的存储引擎,数据是存放在磁盘中的,但如果每次读写数据都需要磁盘 IO,效率会很低。

    为此,InnoDB 提供了缓存(Buffer Pool),Buffer Pool 中包含了磁盘中部分数据页的映射,作为访问数据库的缓冲:

    当从数据库读取数据时,会首先从 Buffer Pool 中读取,如果 Buffer Pool 中没有,则从磁盘读取后放入 Buffer Pool。当向数据库写入数据时,会首先写入 Buffer Pool,Buffer Pool 中修改的数据会定期刷新到磁盘中(这一过程称为刷脏)。Buffer Pool 的使用大大提高了读写数据的效率,但是也带来了新的问题:如果 MySQL 宕机,而此时 Buffer Pool 中修改的数据还没有刷新到磁盘,就会导致数据的丢失,事务的持久性无法保证。

    于是,redo log 被引入来解决这个问题:当数据修改时,除了修改 Buffer Pool 中的数据,还会在 redo log 记录这次操作;当事务提交时,会调用 fsync 接口对 redo log 进行刷盘。

    如果 MySQL 宕机,重启时可以读取 redo log 中的数据,对数据库进行恢复。

    redo log 采用的是 WAL(Write-ahead logging,预写式日志),所有修改先写入日志,再更新到 Buffer Pool,保证了数据不会因 MySQL 宕机而丢失,从而满足了持久性要求。

    既然 redo log 也需要在事务提交时将日志写入磁盘,为什么它比直接将 Buffer Pool 中修改的数据写入磁盘(即刷脏)要快呢?

    主要有以下两方面的原因:

    刷脏是随机 IO,因为每次修改的数据位置随机,但写 redo log 是追加操作,属于顺序 IO。刷脏是以数据页(Page)为单位的,MySQL 默认页大小是 16KB,一个 Page 上一个小修改都要整页写入;而 redo log 中只包含真正需要写入的部分,无效 IO 大大减少。redo log 与 binlog

    我们知道,在 MySQL 中还存在 binlog(二进制日志)也可以记录写操作并用于数据的恢复,但二者是有着根本的不同的。

    作用不同:

    redo log 是用于 crash recovery 的,保证 MySQL 宕机也不会影响持久性;binlog 是用于 point-in-time recovery 的,保证服务器可以基于时间点恢复数据,此外 binlog 还用于主从复制。层次不同:

    redo log 是 InnoDB 存储引擎实现的,而 binlog 是 MySQL 的服务器层(可以参考文章前面对 MySQL 逻辑架构的介绍)实现的,同时支持 InnoDB 和其他存储引擎。内容不同:

    redo log 是物理日志,内容基于磁盘的 Page。binlog 是逻辑日志,内容是一条条 sql。写入时机不同:

    redo log 的写入时机相对多元。前面曾提到,当事务提交时会调用 fsync 对 redo log 进行刷盘;这是默认情况下的策略,修改 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数可以改变该策略,但事务的持久性将无法保证。除了事务提交时,还有其他刷盘时机:如 master thread 每秒刷盘一次 redo log 等,这样的好处是不一定要等到 commit 时刷盘,commit 速度大大加快。

    binlog 在事务提交时写入。

    隔离性:

    与原子性、持久性侧重于研究事务本身不同,隔离性研究的是不同事务之间的相互影响。

    隔离性是指事务内部的操作与其他事务是隔离的,并发执行的各个事务之间不能互相干扰。

    严格的隔离性,对应了事务隔离级别中的 Serializable(可串行化),但实际应用中出于性能方面的考虑很少会使用可串行化。

    隔离性追求的是并发情形下事务之间互不干扰。简单起见,我们仅考虑最简单的读操作和写操作(暂时不考虑带锁读等特殊操作)。

    那么隔离性的探讨,主要可以分为两个方面:

    (一个事务)写操作对(另一个事务)写操作的影响:锁机制保证隔离性。

    (一个事务)写操作对(另一个事务)读操作的影响:MVCC 保证隔离性。

    事务的作用

    事务管理对于企业级应用而言至关重要,它保证了用户的每一次操作都是可靠的,即便出现了异常的访问情况,也不至于破坏后台数据的完整性。就像银行的自动提款机ATM,通常ATM都可以正常为客户服务,但是也难免遇到操作过程中及其突然出故障的情况,此时,事务就必须确保出故障前对账户的操作不生效,就像用户刚才完全没有使用过ATM机一样,以保证用户和银行的利益都不受损失。

    事务隔离级别

    数据库事务的隔离级别有4种,由低到高分别为Read uncommitted 、Read committed 、Repeatable read 、Serializable 。而且,在事务的并发操作中可能会出现脏读,不可重复读,幻读。下面通过事例一一阐述它们的概念与联系。

    Read uncommitted

    读未提交,顾名思义,就是一个事务可以读取另一个未提交事务的数据。

    事例:老板要给程序员发工资,程序员的工资是3.6万/月。但是发工资时老板不小心按错了数字,按成3.9万/月,该钱已经打到程序员的户口,但是事务还没有提交,就在这时,程序员去查看自己这个月的工资,发现比往常多了3千元,以为涨工资了非常高兴。但是老板及时发现了不对,马上回滚差点就提交了的事务,将数字改成3.6万再提交。

    分析:实际程序员这个月的工资还是3.6万,但是程序员看到的是3.9万。他看到的是老板还没提交事务时的数据。这就是脏读。


    那怎么解决脏读呢?Read committed!读提交,能解决脏读问题。


    Read committed

    读提交,顾名思义,就是一个事务要等另一个事务提交后才能读取数据。

    事例:程序员拿着信用卡去享受生活(卡里当然是只有3.6万),当他埋单时(程序员事务开启),收费系统事先检测到他的卡里有3.6万,就在这个时候!!程序员的妻子要把钱全部转出充当家用,并提交。当收费系统准备扣款时,再检测卡里的金额,发现已经没钱了(第二次检测金额当然要等待妻子转出金额事务提交完)。程序员就会很郁闷,明明卡里是有钱的…

    分析:这就是读提交,若有事务对数据进行更新(UPDATE)操作时,读操作事务要等待这个更新操作事务提交后才能读取数据,可以解决脏读问题。但在这个事例中,出现了一个事务范围内两个相同的查询却返回了不同数据,这就是不可重复读。


    那怎么解决可能的不可重复读问题?Repeatable read !


    Repeatable read

    重复读,就是在开始读取数据(事务开启)时,不再允许修改操作

    事例:程序员拿着信用卡去享受生活(卡里当然是只有3.6万),当他埋单时(事务开启,不允许其他事务的UPDATE修改操作),收费系统事先检测到他的卡里有3.6万。这个时候他的妻子不能转出金额了。接下来收费系统就可以扣款了。

    分析:重复读可以解决不可重复读问题。写到这里,应该明白的一点就是,不可重复读对应的是修改,即UPDATE操作。但是可能还会有幻读问题。因为幻读问题对应的是插入INSERT操作,而不是UPDATE操作。


    什么时候会出现幻读?

    事例:程序员某一天去消费,花了2千元,然后他的妻子去查看他今天的消费记录(全表扫描FTS,妻子事务开启),看到确实是花了2千元,就在这个时候,程序员花了1万买了一部电脑,即新增INSERT了一条消费记录,并提交。当妻子打印程序员的消费记录清单时(妻子事务提交),发现花了1.2万元,似乎出现了幻觉,这就是幻读。


    那怎么解决幻读问题?Serializable!


    Serializable 序列化

    Serializable 是最高的事务隔离级别,在该级别下,事务串行化顺序执行,可以避免脏读、不可重复读与幻读。但是这种事务隔离级别效率低下,比较耗数据库性能,一般不使用。


    值得一提的是:大多数数据库默认的事务隔离级别是Read committed,比如Sql Server , Oracle。Mysql的默认隔离级别是Repeatable read。

    tips:

    在事务中,每个正确的原子操作都会被顺序执行,直到遇到错误的原子操作,此时事务会将之前的操作进行回滚。回滚的意思是如果之前是插入操作,那么会执行删 除插入的记录,如果之前是update操作,也会执行update操作将之前的记录还原

    因此,正确的原子操作是真正被执行过的。是物理执行。

    在当前事务中确实能看到插入的记录。最后只不过删除了。但是AUTO_INCREMENT不会应删除而改变值。

    为什么auto_increament没有回滚?

    因为innodb的auto_increament的计数器记录的当前值是保存在存内存中的,并不是存在于磁盘上,当mysql server处于运行的时候,这个计数值只会随着insert改增长,不会随着delete而减少。而当mysql server启动时,当我们需要去查询auto_increment计数值时,mysql便会自动执行:SELECT MAX(id) FROM 表名 FOR UPDATE;语句来获得当前auto_increment列的最大值,然后将这个值放到auto_increment计数器中。所以就算 Rollback MySQL的auto_increament计数器也不会作负运算。

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