一文講清楚MySQL事務(wù)隔離級別和實(shí)現(xiàn)原理，開發(fā)人員必備知識點(diǎn)
經(jīng)常提到數(shù)據(jù)庫的事務(wù)，那你知道數(shù)據(jù)庫還有事務(wù)隔離的說法嗎，事務(wù)隔離還有隔離級別，那什么是事務(wù)隔離，隔離級別又是什么呢？本文就幫大家梳理一下。
MySQL 事務(wù)
本文所說的 MySQL 事務(wù)都是指在 InnoDB 引擎下，MyISAM 引擎是不支持事務(wù)的。
數(shù)據(jù)庫事務(wù)指的是一組數(shù)據(jù)操作，事務(wù)內(nèi)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(shí)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(diǎn)一不做二不休的意思。
假設(shè)一個(gè)網(wǎng)購付款的操作，用戶付款后要涉及到訂單狀態(tài)更新、扣庫存以及其他一系列動作，這就是一個(gè)事務(wù)，如果一切正常那就相安無事，一旦中間有某個(gè)環(huán)節(jié)異常，那整個(gè)事務(wù)就要回滾，總不能更新了訂單狀態(tài)但是不扣庫存吧，這問題就大了。
事務(wù)具有原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）、持久性（Durability）四個(gè)特性，簡稱 ACID，缺一不可。今天要說的就是隔離性。
概念說明
以下幾個(gè)概念是事務(wù)隔離級別要實(shí)際解決的問題，所以需要搞清楚都是什么意思。
臟讀
臟讀指的是讀到了其他事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)，未提交意味著這些數(shù)據(jù)可能會回滾，也就是可能最終不會存到數(shù)據(jù)庫中，也就是不存在的數(shù)據(jù)。讀到了并一定最終存在的數(shù)據(jù)，這就是臟讀。
可重復(fù)讀
可重復(fù)讀指的是在一個(gè)事務(wù)內(nèi)，最開始讀到的數(shù)據(jù)和事務(wù)結(jié)束前的任意時(shí)刻讀到的同一批數(shù)據(jù)都是一致的。通常針對數(shù)據(jù)**更新（UPDATE）**操作。
不可重復(fù)讀
對比可重復(fù)讀，不可重復(fù)讀指的是在同一事務(wù)內(nèi)，不同的時(shí)刻讀到的同一批數(shù)據(jù)可能是不一樣的，可能會受到其他事務(wù)的影響，比如其他事務(wù)改了這批數(shù)據(jù)并提交了。通常針對數(shù)據(jù)**更新（UPDATE）**操作。
幻讀
幻讀是針對數(shù)據(jù)**插入（INSERT）**操作來說的。假設(shè)事務(wù)A對某些行的內(nèi)容作了更改，但是還未提交，此時(shí)事務(wù)B插入了與事務(wù)A更改前的記錄相同的記錄行，并且在事務(wù)A提交之前先提交了，而這時(shí)，在事務(wù)A中查詢，會發(fā)現(xiàn)好像剛剛的更改對于某些數(shù)據(jù)未起作用，但其實(shí)是事務(wù)B剛插入進(jìn)來的，讓用戶感覺很魔幻，感覺出現(xiàn)了幻覺，這就叫幻讀。
事務(wù)隔離級別
SQL 標(biāo)準(zhǔn)定義了四種隔離級別，MySQL 全都支持。這四種隔離級別分別是：
- 讀未提交（READ UNCOMMITTED）
- 讀提交 （READ COMMITTED）
- 可重復(fù)讀 （REPEATABLE READ）
- 串行化 （SERIALIZABLE）
從上往下，隔離強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，性能逐漸變差。采用哪種隔離級別要根據(jù)系統(tǒng)需求權(quán)衡決定，其中，可重復(fù)讀是 MySQL 的默認(rèn)級別。
事務(wù)隔離其實(shí)就是為了解決上面提到的臟讀、不可重復(fù)讀、幻讀這幾個(gè)問題，下面展示了 4 種隔離級別對這三個(gè)問題的解決程度。
只有串行化的隔離級別解決了全部這 3 個(gè)問題，其他的 3 個(gè)隔離級別都有缺陷。
一探究竟
下面，我們來一一分析這 4 種隔離級別到底是怎么個(gè)意思。
如何設(shè)置隔離級別
我們可以通過以下語句查看當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的隔離級別，通過下面語句可以看出我使用的 MySQL 的隔離級別是 REPEATABLE-READ，也就是可重復(fù)讀，這也是 MySQL 的默認(rèn)級別。
- # 查看事務(wù)隔離級別 5.7.20 之后
- show variables like 'transaction_isolation';
- SELECT @@transaction_isolation
- # 5.7.20 之后
- SELECT @@tx_isolation
- show variables like 'tx_isolation'
- +---------------+-----------------+
- | Variable_name | Value |
- +---------------+-----------------+
- | tx_isolation | REPEATABLE-READ |
- +---------------+-----------------+
稍后，我們要修改數(shù)據(jù)庫的隔離級別，所以先了解一下具體的修改方式。
修改隔離級別的語句是：set [作用域] transaction isolation level [事務(wù)隔離級別]， SET [SESSION | GLOBAL] TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED READ COMMITTED | REPEATABLE READ | SERIALIZABLE。
其中作用于可以是 SESSION 或者 GLOBAL，GLOBAL 是全局的，而 SESSION 只針對當(dāng)前回話窗口。隔離級別是 READ UNCOMMITTED READ COMMITTED | REPEATABLE READ | SERIALIZABLE 這四種，不區(qū)分大小寫。
比如下面這個(gè)語句的意思是設(shè)置全局隔離級別為讀提交級別。
- mysql> set global transaction isolation level read committed;
MySQL 中執(zhí)行事務(wù)
事務(wù)的執(zhí)行過程如下，以 begin 或者 start transaction 開始，然后執(zhí)行一系列操作，最后要執(zhí)行 commit 操作，事務(wù)才算結(jié)束。當(dāng)然，如果進(jìn)行回滾操作(rollback)，事務(wù)也會結(jié)束。
需要注意的是，begin 命令并不代表事務(wù)的開始，事務(wù)開始于 begin 命令之后的第一條語句執(zhí)行的時(shí)候。例如下面示例中，select * from xxx 才是事務(wù)的開始，
- begin;
- select * from xxx;
- commit; -- 或者 rollback;
另外，通過以下語句可以查詢當(dāng)前有多少事務(wù)正在運(yùn)行。
- select * from information_schema.innodb_trx;
好了，重點(diǎn)來了，開始分析這幾個(gè)隔離級別了。
接下來我會用一張表來做一下驗(yàn)證，表結(jié)構(gòu)簡單如下：
- CREATE TABLE `user` (
- `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
- `name` varchar(30) DEFAULT NULL,
- `age` tinyint(4) DEFAULT NULL,
- PRIMARY KEY (`id`)
- ) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=2 DEFAULT CHARSET=utf8
初始只有一條記錄：
- mysql> SELECT * FROM user;
- +----+-----------------+------+
- | id | name | age |
- +----+-----------------+------+
- | 1 | 古時(shí)的風(fēng)箏 | 1 |
- +----+-----------------+------+
讀未提交
MySQL 事務(wù)隔離其實(shí)是依靠鎖來實(shí)現(xiàn)的，加鎖自然會帶來性能的損失。而讀未提交隔離級別是不加鎖的，所以它的性能是最好的，沒有加鎖、解鎖帶來的性能開銷。但有利就有弊，這基本上就相當(dāng)于裸奔啊，所以它連臟讀的問題都沒辦法解決。
任何事務(wù)對數(shù)據(jù)的修改都會第一時(shí)間暴露給其他事務(wù)，即使事務(wù)還沒有提交。
下面來做個(gè)簡單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下，首先設(shè)置全局隔離級別為讀未提交。
- set global transaction isolation level read uncommitted;
設(shè)置完成后，只對之后新起的 session 才起作用，對已經(jīng)啟動 session 無效。如果用 shell 客戶端那就要重新連接 MySQL，如果用 Navicat 那就要創(chuàng)建新的查詢窗口。
啟動兩個(gè)事務(wù)，分別為事務(wù)A和事務(wù)B，在事務(wù)A中使用 update 語句，修改 age 的值為10，初始是1 ，在執(zhí)行完 update 語句之后，在事務(wù)B中查詢 user 表，會看到 age 的值已經(jīng)是 10 了，這時(shí)候事務(wù)A還沒有提交，而此時(shí)事務(wù)B有可能拿著已經(jīng)修改過的 age=10 去進(jìn)行其他操作了。在事務(wù)B進(jìn)行操作的過程中，很有可能事務(wù)A由于某些原因，進(jìn)行了事務(wù)回滾操作，那其實(shí)事務(wù)B得到的就是臟數(shù)據(jù)了，拿著臟數(shù)據(jù)去進(jìn)行其他的計(jì)算，那結(jié)果肯定也是有問題的。
順著時(shí)間軸往表示兩事務(wù)中操作的執(zhí)行順序，重點(diǎn)看圖中 age 字段的值。
讀未提交，其實(shí)就是可以讀到其他事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)，但沒有辦法保證你讀到的數(shù)據(jù)最終一定是提交后的數(shù)據(jù)，如果中間發(fā)生回滾，那就會出現(xiàn)臟數(shù)據(jù)問題，讀未提交沒辦法解決臟數(shù)據(jù)問題。更別提可重復(fù)讀和幻讀了，想都不要想。
讀提交
既然讀未提交沒辦法解決臟數(shù)據(jù)問題，那么就有了讀提交。讀提交就是一個(gè)事務(wù)只能讀到其他事務(wù)已經(jīng)提交過的數(shù)據(jù)，也就是其他事務(wù)調(diào)用 commit 命令之后的數(shù)據(jù)。那臟數(shù)據(jù)問題迎刃而解了。
讀提交事務(wù)隔離級別是大多數(shù)流行數(shù)據(jù)庫的默認(rèn)事務(wù)隔離界別，比如 Oracle，但是不是 MySQL 的默認(rèn)隔離界別。
我們繼續(xù)來做一下驗(yàn)證，首先把事務(wù)隔離級別改為讀提交級別。
- set global transaction isolation level read committed;
之后需要重新打開新的 session 窗口，也就是新的 shell 窗口才可以。
同樣開啟事務(wù)A和事務(wù)B兩個(gè)事務(wù)，在事務(wù)A中使用 update 語句將 id=1 的記錄行 age 字段改為 10。此時(shí)，在事務(wù)B中使用 select 語句進(jìn)行查詢，我們發(fā)現(xiàn)在事務(wù)A提交之前，事務(wù)B中查詢到的記錄 age 一直是1，直到事務(wù)A提交，此時(shí)在事務(wù)B中 select 查詢，發(fā)現(xiàn) age 的值已經(jīng)是 10 了。
這就出現(xiàn)了一個(gè)問題，在同一事務(wù)中(本例中的事務(wù)B)，事務(wù)的不同時(shí)刻同樣的查詢條件，查詢出來的記錄內(nèi)容是不一樣的，事務(wù)A的提交影響了事務(wù)B的查詢結(jié)果，這就是不可重復(fù)讀，也就是讀提交隔離級別。
每個(gè) select 語句都有自己的一份快照，而不是一個(gè)事務(wù)一份，所以在不同的時(shí)刻，查詢出來的數(shù)據(jù)可能是不一致的。
讀提交解決了臟讀的問題，但是無法做到可重復(fù)讀，也沒辦法解決幻讀。
可重復(fù)讀
可重復(fù)是對比不可重復(fù)而言的，上面說不可重復(fù)讀是指同一事物不同時(shí)刻讀到的數(shù)據(jù)值可能不一致。而可重復(fù)讀是指，事務(wù)不會讀到其他事務(wù)對已有數(shù)據(jù)的修改，及時(shí)其他事務(wù)已提交，也就是說，事務(wù)開始時(shí)讀到的已有數(shù)據(jù)是什么，在事務(wù)提交前的任意時(shí)刻，這些數(shù)據(jù)的值都是一樣的。但是，對于其他事務(wù)新插入的數(shù)據(jù)是可以讀到的，這也就引發(fā)了幻讀問題。
同樣的，需改全局隔離級別為可重復(fù)讀級別。
- set global transaction isolation level repeatable read;
在這個(gè)隔離級別下，啟動兩個(gè)事務(wù)，兩個(gè)事務(wù)同時(shí)開啟。
首先看一下可重復(fù)讀的效果，事務(wù)A啟動后修改了數(shù)據(jù)，并且在事務(wù)B之前提交，事務(wù)B在事務(wù)開始和事務(wù)A提交之后兩個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都讀取的數(shù)據(jù)相同，已經(jīng)可以看出可重復(fù)讀的效果。
可重復(fù)讀做到了，這只是針對已有行的更改操作有效，但是對于新插入的行記錄，就沒這么幸運(yùn)了，幻讀就這么產(chǎn)生了。我們看一下這個(gè)過程：
事務(wù)A開始后，執(zhí)行 update 操作，將 age = 1 的記錄的 name 改為“風(fēng)箏2號”；
事務(wù)B開始后，在事務(wù)執(zhí)行完 update 后，執(zhí)行 insert 操作，插入記錄 age =1，name = 古時(shí)的風(fēng)箏，這和事務(wù)A修改的那條記錄值相同，然后提交。
事務(wù)B提交后，事務(wù)A中執(zhí)行 select，查詢 age=1 的數(shù)據(jù)，這時(shí)，會發(fā)現(xiàn)多了一行，并且發(fā)現(xiàn)還有一條 name = 古時(shí)的風(fēng)箏，age = 1 的記錄，這其實(shí)就是事務(wù)B剛剛插入的，這就是幻讀。
要說明的是，當(dāng)你在 MySQL 中測試幻讀的時(shí)候，并不會出現(xiàn)上圖的結(jié)果，幻讀并沒有發(fā)生，MySQL 的可重復(fù)讀隔離級別其實(shí)解決了幻讀問題，這會在后面的內(nèi)容說明
串行化
串行化是4種事務(wù)隔離級別中隔離效果最好的，解決了臟讀、可重復(fù)讀、幻讀的問題，但是效果最差，它將事務(wù)的執(zhí)行變?yōu)轫樞驁?zhí)行，與其他三個(gè)隔離級別相比，它就相當(dāng)于單線程，后一個(gè)事務(wù)的執(zhí)行必須等待前一個(gè)事務(wù)結(jié)束。
MySQL 中是如何實(shí)現(xiàn)事務(wù)隔離的
首先說讀未提交，它是性能最好，也可以說它是最野蠻的方式，因?yàn)樗鼔焊鶅壕筒患渔i，所以根本談不上什么隔離效果，可以理解為沒有隔離。
再來說串行化。讀的時(shí)候加共享鎖，也就是其他事務(wù)可以并發(fā)讀，但是不能寫。寫的時(shí)候加排它鎖，其他事務(wù)不能并發(fā)寫也不能并發(fā)讀。
最后說讀提交和可重復(fù)讀。這兩種隔離級別是比較復(fù)雜的，既要允許一定的并發(fā)，又想要兼顧的解決問題。
實(shí)現(xiàn)可重復(fù)讀
為了解決不可重復(fù)讀，或者為了實(shí)現(xiàn)可重復(fù)讀，MySQL 采用了 MVVC (多版本并發(fā)控制) 的方式。
我們在數(shù)據(jù)庫表中看到的一行記錄可能實(shí)際上有多個(gè)版本，每個(gè)版本的記錄除了有數(shù)據(jù)本身外，還要有一個(gè)表示版本的字段，記為 row trx_id，而這個(gè)字段就是使其產(chǎn)生的事務(wù)的 id，事務(wù) ID 記為 transaction id，它在事務(wù)開始的時(shí)候向事務(wù)系統(tǒng)申請，按時(shí)間先后順序遞增。
按照上面這張圖理解，一行記錄現(xiàn)在有 3 個(gè)版本，每一個(gè)版本都記錄這使其產(chǎn)生的事務(wù) ID，比如事務(wù)A的transaction id 是100，那么版本1的row trx_id 就是 100，同理版本2和版本3。
在上面介紹讀提交和可重復(fù)讀的時(shí)候都提到了一個(gè)詞，叫做快照，學(xué)名叫做一致性視圖，這也是可重復(fù)讀和不可重復(fù)讀的關(guān)鍵，可重復(fù)讀是在事務(wù)開始的時(shí)候生成一個(gè)當(dāng)前事務(wù)全局性的快照，而讀提交則是每次執(zhí)行語句的時(shí)候都重新生成一次快照。
對于一個(gè)快照來說，它能夠讀到那些版本數(shù)據(jù)，要遵循以下規(guī)則：
- 當(dāng)前事務(wù)內(nèi)的更新，可以讀到；
- 版本未提交，不能讀到；
- 版本已提交，但是卻在快照創(chuàng)建后提交的，不能讀到；
- 版本已提交，且是在快照創(chuàng)建前提交的，可以讀到；
利用上面的規(guī)則，再返回去套用到讀提交和可重復(fù)讀的那兩張圖上就很清晰了。還是要強(qiáng)調(diào)，兩者主要的區(qū)別就是在快照的創(chuàng)建上，可重復(fù)讀僅在事務(wù)開始是創(chuàng)建一次，而讀提交每次執(zhí)行語句的時(shí)候都要重新創(chuàng)建一次。
并發(fā)寫問題
存在這的情況，兩個(gè)事務(wù)，對同一條數(shù)據(jù)做修改。最后結(jié)果應(yīng)該是哪個(gè)事務(wù)的結(jié)果呢，肯定要是時(shí)間靠后的那個(gè)對不對。并且更新之前要先讀數(shù)據(jù)，這里所說的讀和上面說到的讀不一樣，更新之前的讀叫做“當(dāng)前讀”，總是當(dāng)前版本的數(shù)據(jù)，也就是多版本中最新一次提交的那版。
假設(shè)事務(wù)A執(zhí)行 update 操作， update 的時(shí)候要對所修改的行加行鎖，這個(gè)行鎖會在提交之后才釋放。而在事務(wù)A提交之前，事務(wù)B也想 update 這行數(shù)據(jù)，于是申請行鎖，但是由于已經(jīng)被事務(wù)A占有，事務(wù)B是申請不到的，此時(shí)，事務(wù)B就會一直處于等待狀態(tài)，直到事務(wù)A提交，事務(wù)B才能繼續(xù)執(zhí)行，如果事務(wù)A的時(shí)間太長，那么事務(wù)B很有可能出現(xiàn)超時(shí)異常。如下圖所示。
加鎖的過程要分有索引和無索引兩種情況，比如下面這條語句
- update user set age=11 where id = 1
id 是這張表的主鍵，是有索引的情況，那么 MySQL 直接就在索引數(shù)中找到了這行數(shù)據(jù)，然后干凈利落的加上行鎖就可以了。
而下面這條語句
- update user set age=11 where age=10
表中并沒有為 age 字段設(shè)置索引，所以， MySQL 無法直接定位到這行數(shù)據(jù)。那怎么辦呢，當(dāng)然也不是加表鎖了。MySQL 會為這張表中所有行加行鎖，沒錯(cuò)，是所有行。但是呢，在加上行鎖后，MySQL 會進(jìn)行一遍過濾，發(fā)現(xiàn)不滿足的行就釋放鎖，最終只留下符合條件的行。雖然最終只為符合條件的行加了鎖，但是這一鎖一釋放的過程對性能也是影響極大的。所以，如果是大表的話，建議合理設(shè)計(jì)索引，如果真的出現(xiàn)這種情況，那很難保證并發(fā)度。
解決幻讀
上面介紹可重復(fù)讀的時(shí)候，那張圖里標(biāo)示著出現(xiàn)幻讀的地方實(shí)際上在 MySQL 中并不會出現(xiàn)，MySQL 已經(jīng)在可重復(fù)讀隔離級別下解決了幻讀的問題。
前面剛說了并發(fā)寫問題的解決方式就是行鎖，而解決幻讀用的也是鎖，叫做間隙鎖，MySQL 把行鎖和間隙鎖合并在一起，解決了并發(fā)寫和幻讀的問題，這個(gè)鎖叫做 Next-Key鎖。
假設(shè)現(xiàn)在表中有兩條記錄，并且 age 字段已經(jīng)添加了索引，兩條記錄 age 的值分別為 10 和 30。
此時(shí)，在數(shù)據(jù)庫中會為索引維護(hù)一套B+樹，用來快速定位行記錄。B+索引樹是有序的，所以會把這張表的索引分割成幾個(gè)區(qū)間。
如圖所示，分成了3 個(gè)區(qū)間，(負(fù)無窮,10]、(10,30]、(30,正無窮]，在這3個(gè)區(qū)間是可以加間隙鎖的。
之后，我用下面的兩個(gè)事務(wù)演示一下加鎖過程。
在事務(wù)A提交之前，事務(wù)B的插入操作只能等待，這就是間隙鎖起得作用。當(dāng)事務(wù)A執(zhí)行update user set name='風(fēng)箏2號’ where age = 10; 的時(shí)候，由于條件 where age = 10 ，數(shù)據(jù)庫不僅在 age =10 的行上添加了行鎖，而且在這條記錄的兩邊，也就是(負(fù)無窮,10]、(10,30]這兩個(gè)區(qū)間加了間隙鎖，從而導(dǎo)致事務(wù)B插入操作無法完成，只能等待事務(wù)A提交。不僅插入 age = 10 的記錄需要等待事務(wù)A提交，age<10、10<age<30 的記錄頁無法完成，而大于等于30的記錄則不受影響，這足以解決幻讀問題了。
這是有索引的情況，如果 age 不是索引列，那么數(shù)據(jù)庫會為整個(gè)表加上間隙鎖。所以，如果是沒有索引的話，不管 age 是否大于等于30，都要等待事務(wù)A提交才可以成功插入。
總結(jié)
MySQL 的 InnoDB 引擎才支持事務(wù)，其中可重復(fù)讀是默認(rèn)的隔離級別。
讀未提交和串行化基本上是不需要考慮的隔離級別，前者不加鎖限制，后者相當(dāng)于單線程執(zhí)行，效率太差。
讀提交解決了臟讀問題，行鎖解決了并發(fā)更新的問題。并且 MySQL 在可重復(fù)讀級別解決了幻讀問題，是通過行鎖和間隙鎖的組合 Next-Key 鎖實(shí)現(xiàn)的。
