mysql事务特性以及隔离级别（MySQL事务隔离级别与可重复读的实现）

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内容概览

事务是访问并更新数据库中各种数据项的一个程序执行单元。在事务中的操作，要么都执行修改，要么都不执行，这就是事务的目的，也是事务模型区别于文件系统的重要特征之一。

MySQL Server系统结构包括三层：SQL层、存储引擎层和物理文件，事务操作是在存储引擎层完成的。

MySQL Server系统结构

MySQL数据库支持多种存储引擎，有InnoDB，MyISAM，NDB，Memory等，并不是所有存储引擎都支持事务操作。

本文介绍InnoDB存储引擎对事务的支持。《MySQL技术内幕》对InnoDB存储引擎的介绍：“InnoDB通过使用多版本并发控制（MVCC）来获得高并发性，并且实现了SQL标准的4种隔离级别，默认为REPEATABLE(可重复读)级别，同时使用一种称为netx-key locking的策略来避免幻读（phantom）现象的产生。”

一、事务特性（ACID）1）原子性 Atomicity

事务是一个原子操作，事务中的操作要么都执行，要么都不执行，任何一个SQL语句执行失败 ，那么执行成功的SQL也必须撤销，数据库状态应该退回到执行事务前的状态。

2）一致性 Consistency

一致性指事务操作前和操作后都必须满足业务规则约束，数据库的完整性约束没有被破坏。

3）隔离性 Isolation

隔离性也称为并发控制（concurrency control）、可串行化（serializability）、锁（locking）。多个事务之间的操作是相互隔离的，即该事务提交前对其他事务都不可见，通常使用锁来实现。

4）持久性 Durability

事务一旦提交，其结果是永久性的，即使发生宕机等故障，数据库也能将数据恢复。需要注意的是，持久性只能从事务本身的角度来保证结果的永久性，如果不是数据库本身发生故障，而是一些外部的原因，如RAID卡损坏、自然灾害等导致数据库发生问题，那么所有提交的数据可能会丢失。

二、事务并发问题

由于对数据库的操作不同，事务之间并不是顺序执行，而是并发执行的，事务并发可能会带来如下问题：

1）更新丢失 （Lost Update）

当多个事务操作同一行数据，由于每个事务都不知道其他事务的存在，更新数据时，一个事务的结果可能会被其他事务覆盖，发生丢失更新的问题。

2）脏读（Dirty Reads）

如果一个事务对数据进行了更新，但事务还没有提交，另一个事务读到了该事务没有提交的数据，那么如果第一个事务回滚，第二个事务读到的数据就是脏数据。

3）不可重复读（Non-Repeatable Reads）——针对同一数据

指在一个事务内两次读到的数据是不一样的。比如事务A读取某一数据，事务B修改了该数据，事务A为了对数据进行验证而再次读取该数据，便得到了不同的结果。

一种更易理解的说法是：在一个事务内，多次读同一个数据。在这个事务还没有结束时，另一个事务也访问同一数据并修改数据。那么，在第一个事务的两次读数据之间，由于另一个事务的修改，第一个事务两次读到的数据可能不一样，这样就发生了在一个事务内两次读到的数据是不一样的，因此称为不可重复读，即原始读取不可重复。

4）幻读（Phantom Reads） ——针对多条数据

幻读是指同样一个查询在整个事务过程中多次执行后，查询的结果集是不一样的，也就是事务中读取到了其他事务新增的数据，仿佛出现了幻象。不符合事务的隔离性，幻读针对的是多条记录。

三、事务隔离级别

并发事务带来的“更新丢失”问题，通常是可以完全避免的。防止更新丢失，并不能单靠数据库事务控制器来解决，需要应用程序对要更新的数据加必要的锁来解决。

“脏读”、“不可重复读”和“幻读”，其实都是数据库读一致性问题，必须由数据库提供一定的事务隔离机制来解决。

为了解决“隔离”与“并发”的矛盾，ANSI SQL标准定义了 4个事务隔离级别，分别是：

READ UNCOMMITTED、READ COMMITTED、REPEATABLE READ、SERIALIZABLE。

1）未提交读（READ UNCOMMITTED）

在一个事务中，可以读取到其他事务未提交的数据变化，这种隔离级别会造成脏读、不可重复读、幻读的问题。

2）已提交读（READ COMMITTED）

在一个事务中，可以读取到其他事务已经提交的数据变化，这种隔离级别会造成不可重复读、幻读的问题。

例如事务A读到了数据a， 事务B正好对数据a进行了更改，并且提交了。那么事务A再次读数据a时发现数据已改变。两次同样的查询可能会得到不一样的结果。

3）可重复读（REPEATABLE READ）

在一个事务中，直到事务结束前，都可以反复读取到事务刚开始时看到的数据，并一直不会发生变化，避免了脏读、不可重复读问题，但无法解决幻读问题。

4）可串行化（SERIALIZABLE）

这是最高的隔离级别，它强制事务串行执行，不会出现脏读、不可重复读、幻读问题。

5）隔离级别总览

隔离级别	数据一致性	脏读	不可重复读	幻读
未提交读	最低级别	是	是	是
已提交读	语句级别	否	是	是
可重复读	事务级别	否	否	是
可序列化	最高级别，事务级别	否	否	否

四、InnoDB存储引擎事务隔离级别

1）InnoDB存储引擎使用MVCC实现了REPEATABLE READ(可重复读)，它的默认隔离级别也是REPEATABLE READ。

2）InnoDB存储引擎在REPEATABLE READ事务隔离级别下，使用Next-Key Lock的锁算法，避免了幻读的产生。InnoDB存储引擎已经能完全保证事务的隔离性要求，即达到SQL标准的SERIALIZABLE隔离级别。

实现事务隔离的方式，基本上可分为以下两种。

• 一种是在读取数据前，对其加锁，阻止其他事务对数据进行修改。
• 另一种是不用加任何锁，通过一定机制生成一个数据请求时间点的数据快照（Snapshot），并用这个快照来提供一定级别（语句级或事务级）的一致性读取。从用户的角度来看，好像是数据库可以提供同一数据的多个版本，因此，这种技术叫做数据多版本并发控制（MultiVersion Concurrency Control，简称MVCC或MCC），也经常称为多版本数据库。

下面分别介绍一下InnoDB存储引擎的锁和MVCC。

五、InnoDB锁1）锁的介绍

MySQL 不同的存储引擎支持不同的锁机制，有3种粒度的锁：

• 表级锁：开销小，加锁快；不会出现死锁；锁定粒度大，发生锁冲突的概率最高，并发度最低。
• 行级锁：开销大，加锁慢；会出现死锁；锁定粒度最小，发生锁冲突的概率最低，并发度也最高。
• 页面锁：开销和加锁时间界于表锁和行锁之间；会出现死锁；锁定粒度界于表锁和行锁之间，并发度一般。

InnoDB存储引擎既支持行级锁，也支持表级锁，但默认情况下是采用行级锁。

InnoDB实现了两种类型的行锁：共享锁、排他锁。

共享锁（S）——行锁

• 也称为读锁，允许一个事务对某一行加共享锁，其他事务仍可以再加共享锁读取此资源。多个共享锁可以共存，但共享锁和排他锁不能共存。
• 对于普通SELECT语句，InnoDB实现时不会加任何锁。

排他锁（X）——行锁

• 也称为写锁，允许获得排他锁的事务更新数据，其他事务不能追加相同数据集的共享锁和排他锁。
• 对于UPDATE、DELETE和INSERT语句， InnoDB会自动给涉及数据集加排他锁。

为了允许行锁和表锁共存，实现多粒度锁机制，InnoDB 还有两种内部使用的意向锁（Intention Locks）：意向共享锁、意向排他锁。这两种意向锁都是表锁，意向锁的主要作用是处理行锁和表锁之间的矛盾。

意向共享锁（IS）——表锁

• 表示事务想要获得一张表中某几行的共享锁。
• 事务在给一个数据行加共享锁前必须先加IS锁。

意向排他锁（IX）——表锁

• 表示事务想要获得一张表中某几行的排他锁。
• 事务在给一个数据行加排他锁前必须先加IX锁。
• 一个表有IX锁，表示有事务正在锁定某行或者试图锁定某行。

举例说明：

事务A在更新行数据之前，先在表级别上加意向锁，再加X锁；加意向锁是表示此表某一行被加了X锁； 当事务B要对这个表加S锁，如果表中数据很多，那么事务B需要逐行检查表是否能加S锁，这样会很耗时；如果此时在表级别上有意向锁，那么，事务B先检查该表上是否存在意向锁，存在的意向锁是否与自己准备加的锁冲突，如果有冲突，则等待直到事务Ａ释放，而无须逐条记录去检测，这样速度会很快。

InnoDB行锁模式兼容性

	X锁	IX锁	S锁	IS锁
X锁	冲突	冲突	冲突	冲突
IX锁	冲突	兼容	冲突	兼容
S锁	冲突	冲突	兼容	兼容
IS锁	冲突	兼容	兼容	兼容

• 如果一个事务请求的锁模式与当前的锁兼容，InnoDB 就将请求的锁授予该事务；反之，如果两者不兼容，该事务就要等待锁释放。
• 意向锁之间是兼容的，不会产生冲突。
• 意向锁是InnoDB自动加的，不需用户干预。在加行锁之前，由InnoDB存储引擎加上表的IS或IX锁。
• 意向锁存在的意义是为了更高效的获取表锁。

2）行锁的实现

InnoDB行锁是通过给索引上的索引项加锁来实现的，如果没有索引，InnoDB将通过隐藏的聚簇索引来对记录加锁。InnoDB存储引擎有3种行锁算法。

Record lock

单个行记录上的锁，通过对索引项加锁实现，锁住的是索引，而不是记录本身。

• 在不通过索引条件查询时，InnoDB会锁定表中的所有记录，实际效果跟表锁一样。
• 当表有多个索引的时候，不同的事务可以使用不同的索引锁定不同的行。

Gap lock

• 间隙锁。对于键值在条件范围内但并不存在的记录，叫做“间隙（GAP）”。锁定的是一个范围，包括间隙，但不包含记录本身。

Next-key lock

• 是Record lock和Gap lock的组合，锁定一个范围，并且锁定记录本身。
• InnoDB使用Next-Key锁的目的是为了防止幻读，锁定条件范围内的数据，保证事务未提交时多次查到的数据是相同的。
• Next-key lock加锁机制也会阻塞符合条件范围内键值的并发插入，这往往会造成严重的锁等待。因此，在实际应用开发中，尤其是并发插入比较多的应用，我们要尽量优化业务逻辑，尽量使用相等条件来访问更新数据，避免使用范围条件。

六、MVCC多版本并发控制

数据库并发时，一般是读写并发、写-写并发。MVCC主要用于处理读-写冲突，MVCC可以做到不加锁，非阻塞并发读。

基本原理

MVCC是通过保存某个时间点的快照来实现的，快照数据是指该行之前的历史版本数据。 InnoDB为每次修改保存一个版本，版本与事务时间戳关联，每行记录可能有多个版本。读取快照数据是不需要上锁的，因为没有事务需要对历史数据进行修改。

对于不同的事务隔离级别，读取到的快照数据是不同的。

• READ COMMITTED(已提交读)：在一个事务中，对于快照数据，总是读取被锁定行的最新一份快照数据。
• REPEATABLE READ(可重复读)：在一个事务中，对于快照数据，总是读取事务开始时的行数据版本。

MVCC的好处

• 在并发读写数据库时，使用快照读可以做到在读操作时不用阻塞写操作，写操作也不用阻塞读操作，提高了数据库并发读写的性能。
• 如下图所示，在读数据时，如果读取的行被加了行锁，这时读操作不会去等待行锁的释放，而是会去读取行的快照数据。

InnoDB非锁定的一致性读

参考书籍

《MySQL技术内幕：InnoDB存储引擎（第2版）》

《MySQL技术内幕——SQL编程》

《深入浅出MySQL：数据库开发、优化与管理维护(第2版)》

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