在MySQL中的事務和MVCC原理是什么

2024-07-24 12:33:19

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　　這篇“MySQL中的事務和MVCC原理是什么”文章的知識點大部分人都不太理解，所以小編給大家總結了以下內容，內容詳細，步驟清晰，具有一定的借鑒價值，希望大家閱讀完這篇文章能有所收獲，下面我們一起來看看這篇“MySQL中的事務和MVCC原理是什么”文章吧。

　　01 什么是事務？
　　數據庫事務指的是一組數據操作，事務內的操作要么就是全部成功，要么就是全部失敗，什么都不做，其實不是沒做，是可能做了一部分但是只要有一步失敗，就要回滾所有操作，有點一不做二不休的意思。

　　在 MySQL 中，事務支持是在引擎層實現的。MySQL 是一個支持多引擎的系統，但并不是所有的引擎都支持事務。比如 MySQL 原生的 MyISAM 引擎就不支持事務，這也是 MyISAM 被 InnoDB 取代的重要原因之一。

　　1.1 四大特性

　　原子性（Atomicity）：事務開始后所有操作，要么全部做完，要么全部不做，不可能停滯在中間環節。事務執行過程中出錯，會回滾到事務開始前的狀態，所有的操作就像沒有發生一樣。也就是說事務是一個不可分割的整體，就像化學中學過的原子，是物質構成的基本單位。
　　一致性（Consistency）：事務開始前和結束后，數據庫的完整性約束沒有被破壞。比如 A 向 B 轉賬，不可能 A 扣了錢，B 卻沒收到。
　　隔離性（Isolation）：同一時間，只允許一個事務請求同一數據，不同的事務之間彼此沒有任何干擾。比如 A 正在從一張銀行卡中取錢，在 A 取錢的過程結束前，B 不能向這張卡轉賬。
　　持久性（Durability）：事務完成后，事務對數據庫的所有更新將被保存到數據庫，不能回滾。
　　1.2 隔離級別

　　SQL 事務的四大特性中原子性、一致性、持久性都比較好理解。但事務的隔離級別確實比較難的，今天主要聊聊 MySQL 事務的隔離性。

　　SQL 標準的事務隔離從低到高級別依次是：讀未提交（read uncommitted）、讀提交（read committed）、可重復讀（repeatable read）和串行化（serializable ）。級別越高，效率越低。

　　讀未提交：一個事務還沒提交時，它做的變更就能被別的事務看到。
　　讀提交：一個事務提交之后，它做的變更才會被其他事務看到。
　　可重復讀：一個事務執行過程中看到的數據，總是跟這個事務在啟動時看到的數據是一致的。當然在可重復讀隔離級別下，未提交變更對其他事務也是不可見的。
　　串行化：顧名思義是對于同一行記錄，“寫” 會加 “寫鎖”，“讀” 會加 “讀鎖”。當出現讀寫鎖沖突的時候，后訪問的事務必須等前一個事務執行完成，才能繼續執行。所以種隔離級別下所有的數據是最穩定的，但是性能也是最差的。
　　1.3 解決的并發問題

　　SQL 事務隔離級別的設計就是為了能最大限度的解決并發問題：

　　臟讀：事務 A 讀取了事務 B 更新的數據，然后 B 回滾操作，那么 A 讀取到的數據是臟數據
　　不可重復讀：事務 A 多次讀取同一數據，事務 B 在事務 A 多次讀取的過程中，對數據作了更新并提交，導致事務 A 多次讀取同一數據時，結果不一致。
　　幻讀：系統管理員 A 將數據庫中所有學生的成績從具體分數改為 ABCDE 等級，但是系統管理員 B 就在這個時候插入了一條具體分數的記錄，當系統管理員 A 改結束后發現還有一條記錄沒有改過來，就好像發生了幻覺一樣，這就叫幻讀。
　　SQL 不同的事務隔離級別能解決的并發問題也不一樣，如下表所示：只有串行化的隔離級別解決了全部這 3 個問題，其他的 3 個隔離級別都有缺陷。

　　事務隔離級別臟讀不可重復讀幻讀
　　讀未提交可能可能可能
　　讀已提交不可能可能可能
　　可重復讀不可能不可能可能
　　串行化不可能不可能不可能
　　PS：不可重復讀的和幻讀很容易混淆，不可重復讀側重于修改，幻讀側重于新增或刪除。解決不可重復讀的問題只需鎖住滿足條件的行，解決幻讀需要鎖表

　　1.4 舉個栗子

　　這么說可能有點難以理解，舉個栗子。還是之前的表結構以及表數據

　　CREATE TABLE `student` (
　　 `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
　　 `name` varchar(100) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
　　 `age` int(11) NULL DEFAULT NULL,
　　 PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
　　) ENGINE = InnoDB AUTO_INCREMENT = 66 CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Compact;

　　假設現在，我要同時啟動兩個食物，一個事務 A 查詢 id = 2 的學生的 age，一個事務 B 更新 id = 2 的學生的 age。流程如下，在四種隔離級別下的 X1、X2、X3 的值分別是怎樣的呢？

　　讀未提交：X1 的值是 23，因為事務 B 雖然沒提交但它的更改已被 A 看到。（如果 B 后面又回滾了 X1 的值就是臟的）。X2、X3 的值也是 23，這無可厚非。
　　讀已提交：X1 的值是 22，因為 B 雖然改了，但 A 看不到。（如果 B 后面回滾了，X1 的值不變，解決了臟讀），X2、X3 的值是 23，沒毛病，B 提交了，A 才能看到。
　　可重復讀：X1、X2 都是 22，A 開啟的時刻值是 22，那么在 A 的整個過程中，它的值都是 22。（不管 B 在這期間怎么修改，只要 A 還沒提交，都是看不見的，解決了不可重復讀），而 X3 的值是 23，因為 A 提交了，能看到 B 修改的值了。
　　串行化：B 在執行更改期間會被鎖住，直至 A 提交。B 才能繼續執行。（A 在讀期間，B 不能寫。得保證此時數據是最新的。解決了幻讀）所以 X1、X2 都是 22，而最后的 X3 在 B 提交之后執行，它的值就是 23。
　　那為什么會出現這樣的結果呢？事務隔離級別到底是怎么實現的呢？

　　事務隔離級別是怎么是實現的呢？我在極客時間丁奇老師的課上找到了答案：

　　實際上，數據庫里面會創建一個視圖，訪問的時候以視圖的邏輯結果為準。在 “可重復讀” 隔離級別下，這個視圖是在事務啟動時創建的，整個事務存在期間都用這個視圖。在 “讀提交” 隔離級別下，這個視圖是在每個 SQL 語句開始執行的時候創建的。這里需要注意的是，“讀未提交” 隔離級別下直接返回記錄上的最新值，沒有視圖概念；而 “串行化” 隔離級別下直接用加鎖的方式來避免并行訪問。
　　1.5 設置事務隔離級別

　　不同的數據庫默認設置的事務隔離級別也大不一樣，Oracle 數據庫的默認隔離級別是讀提交，而 MySQL 是可重復讀。所以，當你的系統需要把數據庫從 Oracle 遷移到 MySQL 時，請把級別設置成與搬遷之前的（讀提交）一致，避免出現不可預測的問題。

　　1.5.1 查看事務隔離級別

　　# 查看事務隔離級別
　　5.7.20 之前
　　SELECT @@transaction_isolation
　　show variables like 'transaction_isolation';

　　# 5.7.20 以及之后
　　SELECT @@tx_isolation
　　show variables like 'tx_isolation'

　　+---------------+-----------------+
　　| Variable_name | Value |
　　+---------------+-----------------+
　　| tx_isolation | REPEATABLE-READ |
　　+---------------+-----------------+
　　1.5.2 設置隔離級別

　　修改隔離級別語句格式是：set [作用域] transaction isolation level [事務隔離級別]

　　其中作用域可選：SESSION（會話）、GLOBAL（全局）；隔離級別就是上面提到的 4 種，不區分大小寫。

　　例如：設置全局隔離級別為讀提交

　　set global transaction isolation level read committed;
　　1.6 事務的啟動

　　MySQL 的事務啟動有以下幾種方式：

　　顯式啟動事務語句， begin 或 start transaction。配套的提交語句是 commit，或者回滾語句是 rollback。
　　# 更新學生名字
　　START TRANSACTION;
　　update student set name = '張三' where id = 2;
　　commit;
　　set autocommit = 0，這個命令會將線程的自動提交關掉。意味著如果你只執行一個 select 語句，這個事務就啟動了，而且并不會自動提交。這個事務持續存在直到你主動執行 commit 或 rollback 語句，或者斷開連接。
　　set autocommit = 1，表示 MySQL 自動開啟和提交事務。比如執行一個 update 語句，語句只完成后就自動提交了。不需要顯示的使用 begin、commit 來開啟和提交事務。所以當我們執行多個語句的時候，就需要手動的用 begin、commit 來開啟和提交事務。
　　start transaction with consistent snapshot；上面提到的 begin/start transaction 命令并不是一個事務的起點，在執行到它們之后的第一個操作 InnoDB 表的語句，事務才真正啟動。如果你想要馬上啟動一個事務，可以使用 start transaction with consistent snapshot 命令。第一種啟動方式，一致性視圖是在執行第一個快照讀語句時創建的；第二種啟動方式，一致性視圖是在執行 start transaction with consistent snapshot 時創建的。
　　02 事務隔離的實現
　　理解了隔離級別，那事務的隔離是怎么實現的呢？要想理解事務隔離，先得了解 MVCC 多版本的并發控制這個概念。而 MVCC 又依賴于 undo log 和 read view 實現。

　　2.1 什么是 MVCC？

　　百度上的解釋是這樣的：

　　MVCC，全稱 Multi-Version Concurrency Control，即多版本并發控制。MVCC 是一種并發控制的方法，一般在數據庫管理系統中，實現對數據庫的并發訪問，在編程語言中實現事務內存。
　　MVCC 使得數據庫讀不會對數據加鎖，普通的 SELECT 請求不會加鎖，提高了數據庫的并發處理能力；數據庫寫才會加鎖。借助 MVCC，數據庫可以實現 READ COMMITTED，REPEATABLE READ 等隔離級別，用戶可以查看當前數據的前一個或者前幾個歷史版本，保證了 ACID 中的 I 特性（隔離性)。

　　MVCC 只在 REPEATABLE READ 和 READ COMMITIED 兩個隔離級別下工作。其他兩個隔離級別都和 MVCC 不兼容，因為 READ UNCOMMITIED 總是讀取最新的數據行，而不是符合當前事務版本的數據行。而 SERIALIZABLE 則會對所有讀取的行都加鎖。
　　2.1.1 InnDB 中的 MVCC

　　InnDB 中每個事務都有一個唯一的事務 ID，記為 transaction_id。它在事務開始時向 InnDB 申請，按照時間先后嚴格遞增。

　　而每行數據其實都有多個版本，這就依賴 undo log 來實現了。每次事務更新數據就會生成一個新的數據版本，并把 transaction_id 記為 row trx_id。同時舊的數據版本會保留在 undo log 中，而且新的版本會記錄舊版本的回滾指針，通過它直接拿到上一個版本。

　　所以，InnDB 中的 MVCC 其實是通過在每行記錄后面保存兩個隱藏的列來實現的。一列是事務 ID：trx_id；另一列是回滾指針：roll_pt。

　　2.2 undo log

　　回滾日志保存了事務發生之前的數據的一個版本，可以用于回滾，同時可以提供多版本并發控制下的讀（MVCC），也即非鎖定讀。

　　根據操作的不同，undo log 分為兩種： insert undo log 和 update undo log。

　　2.2.1 insert undo log

　　insert 操作產生的 undo log，因為 insert 操作記錄沒有歷史版本只對當前事務本身可見，對于其他事務此記錄不可見，所以 insert undo log 可以在事務提交后直接刪除而不需要進行 purge 操作。

　　purge 的主要任務是將數據庫中已經 mark del 的數據刪除，另外也會批量回收 undo pages
　　所以，插入數據時。它的初始狀態是這樣的：

　　2.2.2 update undo log

　　UPDATE 和 DELETE 操作產生的 Undo log 都屬于同一類型：update_undo。（update 可以視為 insert 新數據到原位置，delete 舊數據，undo log 暫時保留舊數據）。

　　事務提交時放到 history list 上，沒有事務要用到這些回滾日志，即系統中沒有比這個回滾日志更早的版本時，purge 線程將進行最后的刪除操作。

　　這樣的同一條記錄在數據庫中存在多個版本，就是上面提到的多版本并發控制 MVCC。

　　另外，借助 undo log 通過回滾可以回到上一個版本狀態。比如要回到 V1 只需要順序執行兩次回滾即可。

　　2.3 read-view

　　read view 是 InnDB 在實現 MVCC 時用到的一致性讀視圖，用于支持 RC（讀提交）以及 RR（可重復讀）隔離級別的實現。

　　read view 不是真實存在的，只是一個概念，undo log 才是它的體現。它主要是通過版本和 undolog 計算出來的。作用是決定事務能看到哪些數據。

　　每個事務或者語句有自己的一致性視圖。普通查詢語句是一致性讀，一致性讀會根據 row trx_id 和一致性視圖確定數據版本的可見性。

　　2.3.1 數據版本的可見性規則

　　read view 中主要包含當前系統中還有哪些活躍的讀寫事務，在實現上 InnDB 為每個事務構造了一個數組，用來保存這個事務啟動瞬間，當前正活躍（還未提交）的事務。

　　前面說了事務 ID 隨時間嚴格遞增的，把系統中已提交的事務 ID 的最大值記為數組的低水位，已創建過的事務 ID + 1記為高水位。

　　這個視圖數組和高水位就組成了當前事務的一致性視圖（read view）

　　規則如下：

　　1 如果 trx_id 在灰色區域，表明被訪問版本的 trx_id 小于數組中低水位的 id 值，也即生成該版本的事務在生成 read view 前已經提交，所以該版本可見，可以被當前事務訪問。
　　2 如果 trx_id 在橙色區域，表明被訪問版本的 trx_id 大于數組中高水位的 id 值，也即生成該版本的事務在生成 read view 后才生成，所以該版本不可見，不能被當前事務訪問。
　　3 如果在綠色區域，就會有兩種情況：
　　a) trx_id 在數組中，證明這個版本是由還未提交的事務生成的，不可見
　　b) trx_id 不在數組中，證明這個版本是由已提交的事務生成的，可見
　　第三點我在看教程的時候也有點疑惑，好在有熱心網友解答：

　　落在綠色區域意味著是事務 ID 在低水位和高水位這個范圍里面，而真正是否可見，看綠色區域是否有這個值。如果綠色區域沒有這個事務 ID，則可見，如果有，則不可見。在這個范圍里面并不意味著這個范圍就有這個值，比如 [1,2,3,5]，4 在這個數組 1-5 的范圍里，卻沒在這個數組里面。
　　這樣說可能有點難以理解，我假設一個場景：三個事務對同一條數據進行查詢更新等操作，為此畫了張圖以方便理解：

　　周明，B 的視圖數組是先生成的，之后事務 C 才提交。那就應該看不見 C 修改的 age = 23 呀？最后 B 怎么得出 24 了？

　　沒錯，如果 B 在更新之前執行查詢語句，那返回的結果肯定是 age = 22。問題是更新就不能在歷史版本更新了呀，否則 C 的更新不就丟失了？

　　所以，更新有個規則：更新數據都是先讀后寫（讀是更新語句執行，不是我們手動執行），讀的就是當前版本的值，叫當前讀；而我們普通的查詢語句就叫快照讀。

　　因此，在更新時，當前讀讀到的是 age = 23，更新之后就成 24 啦。

　　2.3.2.2 select 當前讀
　　除了更新語句，查詢語句如果加鎖也是當前讀。如果把事務 A 的查詢語句 select age from t where id = 2 改一下，加上鎖（lock in mode 或者 for update），也都可以得到當前版本 4 返回的 age = 24

　　下面就是加了鎖的 select 語句：

　　select age from t where id = 2 lock in mode;
　　 select age from t where id = 2 for update;
　　2.3.2.3 事務 C 不馬上提交
　　假設事務 C 不馬上提交，但是 age = 23 版本已生成。事務 B 的更新將會怎么走呢？

　　事務 C 還沒提交，寫鎖還沒釋放，但是事務 B 的更新必須要當前讀且必須加鎖。所以事務 B 就阻塞了，必須等到事務 C 提交，釋放鎖才能繼續當前的讀。

　　2.3.3 RC（讀提交）下的結果

　　在讀提交隔離級別下，查詢只承認在語句啟動前就已經提交完成的數據；每一個語句執行之前都會重新算出一個新的視圖。

　　注意：在上圖的表格中用于啟動事務的是 start transaction with consistent snapshot 命令，它會創建一個持續整個事務的視圖。所以，在 RC 級別下，這命令其實不起作用。等效于普通的 start transaction（在執行 sql 語句之前才算是啟動了事務）。所以，事務 B 的更新其實是在事務 C 之后的，它還沒真正啟動事務，而 C 已提交。

　　現在假設：

　　事務 A 開始前，只有一個活躍的事務，ID = 2，
　　已提交的事務也就是插入數據的事務 ID = 1
　　事務 A、B、C 的事務 ID 分別是 3、4、5
　　在這種隔離級別下，他們創建視圖的時刻如下：

　　根據上圖得，事務 A 的視圖數組是[2,3,4]，但它的高水位是 6或者更大（已創建事務 ID + 1）；事務 B 的視圖數組是 [2,4]；事務 C 的視圖數組是 [2,5]。分析一波：

　　T4 時刻，B 讀數據都是從當前版本讀起，過程是這樣的：
　　讀到當前版本的 trx_id = 4，剛好是自己，可見
　　所以 age = 24
　　T5 時刻，A 讀數據都是從當前版本讀起，過程是這樣的：
　　讀到當前版本的 trx_id = 4，在自己一致性視圖范圍內但包含 4，不可見
　　再往上讀到 trx_id = 5，在自己一致性視圖范圍內但不包含 5，可見
　　所以 age = 23
　　以上就是關于“MySQL中的事務和MVCC原理是什么”這篇文章的內容，相信大家都有了一定的了解，希望小編分享的內容對大家有幫助，若想了解更多相關的知識內容。

（編輯：武林網）

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