一、什么是事務：

????????數據庫的事務是并發控制的基本單位，是指邏輯上的一組操作，要么全部執行，要么全部不執行。

1、事務的特性：

（1）原子性：事務是一個不可分割的工作單元，事務里的操作要么都成功，要么都失敗，如果事務執行失敗，則需要進行回滾。

（2）隔離性：事務的所操作的數據在提交之前，對其他事務的可見程度。

（3）持久性：一旦事務提交，它對數據庫中數據的改變就是永久的。

（4）一致性：事務不能破壞數據的完整性和業務的一致性。例如在轉賬時，不管事務成功還是失敗，雙方錢的總額不變。

二、事務ACID特性的實現原理：

1、原子性：

????????原子性是通過MySQL的回滾日志undo log來實現的：當事務對數據庫進行修改時，InnoDB會生成對應的undo log；如果事務執行失敗或調用了rollback，導致事務需要回滾，便可以利用undo log中的信息將數據回滾到修改之前的樣子。

undo log (回滾日志)：是采用段(segment)的方式來記錄的，每個undo操作在記錄的時候占用一個undo log segment。在數據更改操作時，記錄了相對應的undo log的目的在于：

• 保證數據的原子性，記錄事務發生之前的一個版本，用于回滾；
• 通過mvcc?+?undo log實現Innodb事務可重復讀和讀已提交隔離級別。

2、隔離性：

隔離性是事務所操作的數據在提交之前，對其他事務的可見程度。

2.1、事務隔離級別：

????????為保證在并發環境下讀取數據的完整性和一致性，數據庫提供了四種事務隔離級別，隔離級別越高，越能保證數據的完整性和一致性，但對高并發性能影響也越大，執行效率越低。（四種隔離級別從上往下依次升高）

讀未提交：允許事務在執行過程中，讀取其他事務尚未提交的數據；

讀已提交：允許事務在執行過程中讀取其他事務已經提交的數據；

可重復讀（默認級別）：在同一個事務內，任意時刻的查詢結果都是一致的；

讀序列化：所有事務逐個依次執行，每次讀都需要獲取表級共享鎖，讀寫會相互阻塞。

2.2、如果不考慮事務的隔離性，在事務并發的環境下，可能存在問題有：

（1）更新丟失：兩個或多個事務操作相同的數據，然后基于選定的值更新該行時，由于每個事務都不知道其他事務的存在，就會發生丟失更新問題：最后的更新覆蓋了其他事務所做的更新。

（2）臟讀：指事務A正在訪問數據，并且對數據進行了修改（事務未提交），這時，事務B也使用這個數據，后來事務A撤銷回滾，并把修改后的數據恢復原值，B讀到的數據就與數據庫中的數據不一致，即B讀到的數據是臟數據。

（3）不可重復讀：在一個事務內，多次讀取同一個數據，但是由于另一個事務在此期間對這個數據做了修改并提交，導致前后讀取到的數據不一致；

（4）幻讀：在一個事務中，先后兩次進行讀取相同的數據（一般是范圍查詢），但由于另一個事務新增或者刪除了數據，導致前后兩次結果不一致。

① 不可重復讀和幻讀的區別：

不可重復讀側重于讀取到其他事務修改的數據，幻讀側重于讀取到其他事務新增或者刪除的數據。

② 可以采用鎖機制來解決不可重復讀和幻讀：

對于不可重復讀，只需對操作的數據添加行級鎖，防止操作的數據發生變化；而對于幻讀，需要添加表級鎖，將整張表鎖定，防止新增或者刪除數據。

不同的事務隔離級別，在并發環境會存在不同的并發問題：

√：可能出現的情況? ×：不會出現該情況	臟讀	不可重復讀	幻讀
讀序列化	×	×	×
可重復讀	×	×	√
讀已提交	×	√	√
讀未提交	√	√	√

2.3、事務隔離性的實現原理：

????????為了實現事務隔離，數據庫延伸出了數據庫鎖，其中Innodb事務的隔離級別是由鎖機制和MVVC(多版本并發控制)實現的：

2.3.1、Mysql鎖機制：

????????MySQL鎖機制的基本工作原理就是：事務在修改數據庫之前，需要先獲得相應的鎖，獲得鎖的事務才可以修改數據；在該事務操作期間，這部分的數據是鎖定，其他事務如果需要修改數據，需要等待當前事務提交或回滾后釋放鎖。（鎖機制的更多說明可以參考另一篇博客：MySQL數據庫：鎖機制）

????????通過對InnoDB不同鎖類型的特性分析，可以利用鎖解決臟讀、不可重復讀、幻讀：

• 排它鎖解決臟讀：在讀已提交的隔離級別下，事務A只有在對數據修改時才加排它鎖，但直到事務?commit 時才釋放鎖。因此，同時進行的事務B希望讀取同一行數據時，會被事務A的排它鎖堵塞，所以解決了臟讀的問題

• 共享鎖解決不可重復讀：在可重復讀的隔離級別下，除了執行讀已提交的排它鎖方式，還會在讀取一行數據時，為這行數據添加共享鎖直至事務 commit。例如，事務A讀取ID=1這一行數據，然后為ID=1添加共享鎖，事務B同時希望update ID=1，此時獲取寫鎖失敗，因此在事務A執行完之前，沒有其他任何事務可以對ID=1這一行做修改，因此解決了重復讀的問題

• 臨鍵鎖解決幻讀

????????雖然共享鎖和排它鎖解決了事務隔離的并發問題，但鎖會導致大量的堵塞，性能下降。某些時候會造成死鎖，為了解決死鎖，還要添加死鎖探測機制，性能進一步下降，因此需要更高效的方式實現事務的隔離級別，也就是 MVCC 多版本并發控制。

2.3.2、Multiversion concurrency control?（MVCC?多版本并發控制）：

????????InnoDB 的?MVCC 的實現思路是：對每一行數據用 undo log 記錄多個版本，每個版本的數據可能都不相同，然后根據 事務ID 去尋找適合它的版本數據，從而實現不同事務之間的隔離性。MVCC 具體實現實現方式是在每行記錄后面保存兩個隱藏的列：

• DB_TRX_ID：標識當前數據屬于哪個事務，每次提交事務，事務ID會自增，事務開始時會把該事務ID放到當前事務影響的行事務ID字段中，
• DB_ROLL_PTR：指向該行數據 undo log 的指針，undo log 日志文件保存了該行記錄的所有版本數據，并在日志中通過鏈表形式組織

????????通過 MVCC，數據庫可以使得事務的讀取不需要很多讀鎖，提升了數據庫的性能。當一個事務完成時，數據庫會刪除關于這條事務所有的 undo log，若未完成事務數據庫崩潰則根據 undo log回滾，實現原子性。

????????MVCC只在 可重復度 和 讀已提交 兩個隔離級別下才會工作，其中，MVCC實質就是通過保存數據在某個時間點的快照來實現的。?

• 讀已提交：事務A執行每一條語句時，生成一份活躍事務表，根據這份表去獲取數據，因此不會獲取到臟數據（未提交事務引起的），但會有重復讀問題（因為可以讀取到commit 的事務數據）
• 可重復讀：事務A只有在事務開始時才生成一份活躍事務表，因此不會讀取到事務A執行中 commit 的其它事務引起的數據變更，也就不存在重復讀問題。

????????在并發訪問數據庫時，對正在事務中的數據做MVCC多版本的管理，以避免寫操作阻塞讀操作，并且可以通過比較版本解決快照讀方式的幻讀問題，但對于當前讀的幻讀，MVCC并不能解決，需要通過臨鍵鎖來解決。

• 快照讀：Innodb快照讀，數據的讀取將由 cache(原本數據) + undo(事務修改前的數據) 兩部分組成
• 當前讀：SQL讀取的數據是最新版本。通過鎖機制來保證讀取的數據無法通過其他事務進行修改

在可重復讀的隔離級別下，MVCC具體操作：

（1）SELECT操作：InnoDB遵循以下兩個規則：

• 只查找數據行的事務ID小于或等于當前事務ID的版本，這樣可以確保事務讀取的行，要么是在事務開始前已經存在的，要么是事務自身插入或者修改過的記錄。
• 行的刪除版本要未被定義，讀取到事務開始之前狀態的版本，這可以確保事務讀取到的行，在事務開始之前未被刪除。只有同時滿足的兩者的記錄，才能返回作為查詢結果。

（2）INSERT：InnoDB為新插入的每一行保存當前事務編號作為行版本號。

（3）DELETE：InnoDB為刪除的每一行保存當前事務編號作為行刪除標識。

（4）UPDATE：InnoDB為插入一行新記錄，保存當前事務編號作為行版本號，同時保存當前事務編號到原來的行作為行刪除標識。

保存這兩個額外系統版本號，使大多數讀操作都可以不用加鎖。這樣設計使得讀數據操作很簡單，性能很好，并且也能保證只會讀取到符合標準的行，不足之處是每行記錄都需要額外的存儲空間，需要做更多的行檢查工作，以及一些額外的維護工作。

3、持久性：

????????持久性的實現關鍵在于redo log日志，在執行SQL時會保存已執行的SQL語句到一個指定的Log文件，當執行recovery時重新執行redo log記錄的SQL操作。

3.1、redo log日志：

????????當向數據庫寫入數據時，執行過程會首先寫入Buffer Pool，Buffer Pool中修改的數據會定期刷新到磁盤中（這一過程叫做刷盤），這整一過程稱為redo log。redo log 分為：

• Buffer Pool內存中的日志緩沖(redo log buffer)，該部分日志是易失性的；
• 磁盤上的重做日志文件(redo log file)，該部分日志是持久的。

????????Buffer Pool的使用可以大大提高了讀寫數據的效率，但是也帶了新的問題：如果MySQL宕機，而此時Buffer Pool中修改的數據在內存還沒有刷新到磁盤，就會導致數據的丟失，事務的持久性無法保證。

????????為了確保事務的持久性，在當事務提交時，會調用fsync接口對redo log進行刷盤, （即redo log buffer寫日志到磁盤的redo log file中 ），刷新頻率由 innodb_flush_log_at_trx_commit變量來控制的：

• 0：?每秒刷新緩沖池中的數據寫入到磁盤中的，當系統崩潰，會丟失1秒鐘的數據 ；
• 1： 事務每次提交的時候，就把緩沖池中的數據刷新到磁盤中；
• 2：提交事務的時候，把緩沖池中的數據寫入磁盤文件對應的 os cache 緩存里去，而不是直接進入磁盤文件。可能 1 秒后才會把 os cache 里的數據寫入到磁盤文件里去。

4、一致性：

一致性指的是事務不能破壞數據的完整性和業務的一致性 ：

• 數據的完整性： 實體完整性、列完整性（如字段的類型、大小、長度要符合要求）、外鍵約束等

• 業務的一致性：例如在銀行轉賬時，不管事務成功還是失敗，雙方錢的總額不變。

那是如何保證數據一致性的？其實數據一致性是通過事務的原子性、持久性和隔離性來保證的：

• 原子性：語句要么全執行，要么全不執行，是事務最核心的特性，事務本身就是以原子性來定義的；主要基于undo log實現
• 持久性：保證事務提交后不會因為宕機等原因導致數據丟失；主要基于redo log實現
• 隔離性：保證事務執行盡可能不受其他事務影響；InnoDB默認的隔離級別是RR，RR的實現主要基于鎖機制（包含next-key lock）、MVCC（包括數據的隱藏列、基于undo log的版本鏈、ReadView）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的MySQL数据库：事务和ACID实现原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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