事務(wù)隔離是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根本的組成部分，本文主要從標(biāo)準(zhǔn)層面來討論隔離級(jí)別的發(fā)展歷史，首先明確隔離級(jí)別劃分的目標(biāo)；之后概述其否定之否定的發(fā)展歷程；進(jìn)而引出 Adya給出的比較合理的隔離級(jí)別定義，最終總結(jié)隔離標(biāo)準(zhǔn)一路走來的思路。

目標(biāo)

事務(wù)隔離是事務(wù)并發(fā)產(chǎn)生的直接需求，最直觀的、保證正確性的隔離方式，顯然是讓并發(fā)的事務(wù)依次執(zhí)行，或是看起來像是依次執(zhí)行。但在真實(shí)的場景中，有時(shí)并不需要如此高的正確性保證，因此希望犧牲一些正確性來提高整體性能。通過區(qū)別不同強(qiáng)度的隔離級(jí)別使得使用者可以在正確性和性能上自由權(quán)衡。隨著數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品數(shù)量以及使用場景的膨脹，帶來了各種隔離級(jí)別選擇的混亂，數(shù)據(jù)庫的眾多設(shè)計(jì)者和使用者亟需一個(gè)對(duì)隔離級(jí)別劃分的共識(shí)，這就是標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)的意義。一個(gè)好的隔離級(jí)別定義有如下兩個(gè)重要的目標(biāo)：

正確：每個(gè)級(jí)別的定義，應(yīng)該能夠?qū)⑺袚p害該級(jí)別想要保證的正確性的情況排除在外。也就是說，只要實(shí)現(xiàn)滿足某一隔離級(jí)別定義，就一定能獲得對(duì)應(yīng)的正確性保證。 實(shí)現(xiàn)無關(guān)：常見的并發(fā)控制的實(shí)現(xiàn)方式包括，鎖、OCC以及多版本 。而一個(gè)好的標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)該限制其實(shí)現(xiàn)方式。ANSI SQL標(biāo)準(zhǔn)(1992)：基于異象

1992年ANSI首先嘗試指定統(tǒng)一的隔離級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)，其定義了不同級(jí)別的異象(phenomenas)， 并依據(jù)能避免多少異象來劃分隔離標(biāo)準(zhǔn)。異象包括：

臟讀（Dirty Read）: 讀到了其他事務(wù)還未提交的數(shù)據(jù)；不可重復(fù)讀（Non-Repeatable/Fuzzy Read）：由于其他事務(wù)的修改或刪除，對(duì)某數(shù)據(jù)的兩次讀取結(jié)果不同；幻讀（Phantom Read）：由于其他事務(wù)的修改，增加或刪除，導(dǎo)致Range的結(jié)果失效（如where 條件查詢）。通過阻止不同的異象發(fā)生，得到了四種不同級(jí)別的隔離標(biāo)準(zhǔn)：

ANSI SQL標(biāo)準(zhǔn)看起來是非常直觀的劃分方式，不想要什么就排除什么，并且做到了實(shí)現(xiàn)無關(guān)。然而，現(xiàn)實(shí)并不像想象美好。因?yàn)樗⒉徽_。

A Critique of ANSI(1995)：基于鎖

幾年后，微軟的研究員們?cè)贏 Critique of ANSI SQL Isolation Levels一文中對(duì)ANSI的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了批判，指出其存在兩個(gè)致命的問題：

1，不完整，缺少對(duì)Dirty Write的排除

ANSI SQL標(biāo)準(zhǔn)中所有的隔離級(jí)別都沒有將Dirty Write這種異象排除在外，所謂Dirty Write指的是兩個(gè)未提交的事務(wù)先后對(duì)同一個(gè)對(duì)象進(jìn)行了修改。而Dirty Write之所以是一種異象，主要因?yàn)樗麜?huì)導(dǎo)致下面的一致性問題：

這段歷史中，假設(shè)有相關(guān)性約束x=y，T1嘗試將二者都修改為1，T2嘗試將二者都修改為2，順序執(zhí)行的結(jié)果應(yīng)該是二者都為1或者都為2，但由于Dirty Write的發(fā)生，最終結(jié)果變?yōu)閤=2，y=1，不一致。

2，歧義

ANSI SQL的英文表述有歧義。以Phantom為例，如下圖歷史H3：

假設(shè)T1根據(jù)條件P查詢所有的雇員列表，之后T2增加了一個(gè)雇員并增加了雇員人數(shù)值z(mì)，之后T1讀取雇員人數(shù)z，最終T1的列表中的人數(shù)比z少，不一致。但T1并沒有在T2修改鏈表后再使用P中的值，是否就不屬于ANSI中對(duì)Phantom的定義了呢？這也導(dǎo)致了對(duì)ANSI的表述可能有嚴(yán)格和寬松兩種解讀。對(duì)于Read Dirty和Non-Repeatable/Fuzzy Read也有同樣的問題。

那么，如何解決上述兩個(gè)問題呢？Critique of ANSI的答案是：寧可錯(cuò)殺三千，不可放過一個(gè)，即給ANSI標(biāo)準(zhǔn)中的異象最嚴(yán)格的定義。Critique of ANSI改造了異象的定義：

此時(shí)定義已經(jīng)很嚴(yán)格了，直接阻止了對(duì)應(yīng)的讀寫組合順序。仔細(xì)可以看出，此時(shí)得到的其實(shí)就是基于鎖的定義:

Read Uncommitted，阻止P0：整個(gè)事務(wù)階段對(duì)x加長寫鎖Read Commited，阻止P0，P1：短讀鎖 + 長寫鎖Repeatable Read，阻止P0，P1，P2：長讀鎖 + 短謂詞鎖 + 長寫鎖Serializable，阻止P0，P1，P2，P3：長讀鎖 + 長謂詞鎖 + 長寫鎖問題本質(zhì)

可以看出，這種方式的隔離性定義保證了正確性，但卻產(chǎn)生了依賴實(shí)現(xiàn)方式的問題：太過嚴(yán)格的隔離性定義，阻止了Optimize或Multi-version的實(shí)現(xiàn)方式中的一些正常的情況：

針對(duì)P0：Optimize的實(shí)現(xiàn)方式可能會(huì)讓多個(gè)事務(wù)各自寫自己的本地副本，提交的時(shí)候只要順序合適是可以成功的，只在需要的時(shí)候才abort，但這種選擇被P0阻止；針對(duì)P2：只要T1沒有在讀x，后續(xù)沒有與x相關(guān)的操作，且先于T2提交。在Optimize的實(shí)現(xiàn)中是可以接受的，卻被P2阻止。回憶Critique of ANSI中指出的ANSI標(biāo)準(zhǔn)問題，包括Dirty Write和歧義，其實(shí)都是由于多Object之間有相互約束關(guān)系導(dǎo)致的，如下圖所示，圖中黑色部分表示的是ANSI中針對(duì)某一個(gè)異象描述的異常情況，灰色部分由于多Object約束導(dǎo)致的異常部分，但這部分在傳統(tǒng)的異象定義方式中并不能描述，因此其只能退而求其次，擴(kuò)大限制的范圍到黃色部分，從而限制了正常的情況。

由此，可以看出問題的本質(zhì)：由于異象的描述只針對(duì)單個(gè)object，缺少描述多object之間的約束關(guān)系，導(dǎo)致需要用鎖的方式來作出超出必須的限制。相應(yīng)地，解決問題的關(guān)鍵：要有新的定義異象的模型，使之能精準(zhǔn)的描述多object之間的約束關(guān)系，從而使得我們能夠精準(zhǔn)地限制上述灰色部分，而將黃色的部分解放出來。Adya給出的答案是序列化圖。

A Generalized Theory(1999)：基于序列化圖

Adya在Weak Consistency: A Generalized Theory and Optimistic Implementations for Distributed Transactions中給出了基于序列化圖得定義，思路為先定義沖突關(guān)系；并以沖突關(guān)系為有向邊形成序列化圖；再以圖中的環(huán)類型定義不同的異象；最后通過阻止不同的異象來定義隔離級(jí)別。

序列化圖（Direct Serialization Graph, DSG）

序列化圖是用有向圖的方式來表示事務(wù)相互之間的依賴關(guān)系，圖中每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)事務(wù)，有向邊表示存在一種依賴關(guān)系，事務(wù)需要等到所有指向其的事務(wù)先行提交，如下圖所示歷史的合法的提交順序應(yīng)該為：T1，T2，T3：

這里的有向邊包括三種情況：

• 寫寫沖突ww（Directly Write-Depends）：表示兩個(gè)事務(wù)先后修改同一個(gè)數(shù)據(jù)庫Object(w1[x]…w2[x]...)； 先寫后讀沖突wr（Directly Read-Depends）：一個(gè)事務(wù)修改某個(gè)數(shù)據(jù)庫Object后，另一個(gè)對(duì)該Object進(jìn)行讀操作（w1[x]…r2[x]...）； 先讀后寫沖突rw（Directly Anti-Depends）：一個(gè)事務(wù)讀取某個(gè)Object或者某個(gè)Range后，另一個(gè)事務(wù)進(jìn)行了修改（r1[x]…w2[x]… or r1[P]…w2[y in P]）；
• 基于序列化圖的異象定義：
• 根據(jù)有向圖的定義，我們可以將事務(wù)對(duì)不同Object的依賴關(guān)系表示到一張同一張圖中，而所謂異象就是在圖中找不到一個(gè)正確的序列化順序，即存在某種環(huán)。而這種基于環(huán)的定義其實(shí)就是將基于Lock定義的異象最小化到圖中灰色部分：
• 1，P0(Dirty Write) 最小化為 G0(Write Cycles)：序列化圖中包含兩條邊都為ww沖突組成的環(huán)，如H0：

• 可以看出T1在x上與T2寫寫沖突，T2又在y上與T1寫寫沖突，形成了如下圖所示的環(huán)。

• 2，P1(Dirty Read) 最小化為 G1：Dirty Read異象的最小集包括三個(gè)部分G1a(Aborted Reads)，讀到的uncommitted數(shù)據(jù)最終被abort；G1b(Intermediate Reads) ：讀到其他事務(wù)中間版本的數(shù)據(jù)；以及G1c(Circular Information Flow)：DSG中包含ww沖突和wr沖突形成的環(huán)。
• 3，P2(Fuzzy or Non-Repeatable Read) 最小化為 G2-item(Item Anti-dependency Cycles) ：DSG中包含環(huán)，且其中至少有一條關(guān)于某個(gè)object的rw沖突
• 4，P3(Phantom) 最小化為 G2(Anti-dependency Cycles): DSG中包含環(huán)，并且其中至少有一條是rw沖突，仍然以上面的H3為例：

• T1在謂詞P上與T2 rw沖突，反過來T2又在z上與T1wr沖突，如下圖所示：

• 對(duì)應(yīng)的隔離級(jí)別：
• 通過上面的討論可以看出，通過環(huán)的方式我們成功最小化了異象的限制范圍，那么排除這些異象就得到了更寬松的，通用的隔離級(jí)別定義：

PL-1（Read Uncommitted）：阻止G0PL-2（Read Commited）：阻止G1PL-2.99（Repeatable Read）：阻止G1，G2-itemPL-3（Serializable）：阻止G1，G2其他隔離級(jí)別：

• 除了上述的隔離級(jí)別外，在正確性的頻譜中還有著大量空白，也就存在著各種其他隔離級(jí)別的空間，商業(yè)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)中有兩個(gè)比較常見：
• 1，Cursor Stability
• 該隔離界別介于Read Committed和Repeatable Read之間，通過對(duì)游標(biāo)加鎖而不是對(duì)object加讀鎖的方式避免了Lost Write異象。
• 2， Snapshot Ioslation
• 事務(wù)開始的時(shí)候拿一個(gè)Start-Timestamp的snapshot，所有的操作都在這個(gè)snapshot上做，當(dāng)commit的時(shí)候拿Commit-Timestamp，檢查所有有沖突的值不能再[Start- Timestamp, Commit-Timestamp]被提交，否則abort。長久以來，Snapshot Ioslation一直被認(rèn)為是Serializable，但其實(shí)Snapshot Ioslation下還會(huì)出現(xiàn)Write Skew的異象。之后的文章會(huì)詳細(xì)介紹如何從Snapshot Ioslation出發(fā)獲得Serializable。

總結(jié)

• 對(duì)于事務(wù)隔離級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)庫的前輩們進(jìn)行了長久的探索：

ANSI isolation levels定義了異象標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)所排除的異象，定義了，Read Uncommitted、Read Committed、Repeatable Read、Serializable四個(gè)隔離級(jí)別； A Critique of ANSI SQL Isolation Levels認(rèn)為ANSI的定義并沒將有多object約束的異象排除在外，并選擇用更嚴(yán)格的基于Lock的定義擴(kuò)大了每個(gè)級(jí)別限制的范圍； Weak Consistency: A Generalized Theory and Optimistic Implementations for Distributed Transactions認(rèn)為基于Lock的定義過多的擴(kuò)大了限制的范圍，導(dǎo)致正常情況被排除在外，從而限制了Optimize類型并行控制的使用；指出解決該問題的關(guān)鍵是要有模型能準(zhǔn)確地描述這種多Object約束；并給出了基于序列化圖的定義方式，將每個(gè)級(jí)別限制的范圍最小化。參考

• A History of Transaction Histories
• ANSI isolation levels
• A Critique of ANSI SQL Isolation Levels
• Weak Consistency: A Generalized Theory and Optimistic Implementations for Distributed Transactions
• Generalized Isolation Level Definitions