事务01之事务机制

事务机制

一：ACID

1：什么是ACID

2：MySQL是如何实现ACID的

原子性： -> undoLog

• 主要依靠undo.log日志实现，即在事务失败时执行回滚。
• undo.log日志会记录事务执行的sql，当事务需要回滚时，通过反向补偿回滚数据库状态

持久性：-> redoLog

• 主要依靠redo.log日志实现。

• 首先，mysql持久化通过缓存来提高效率，即在select时先查缓存，再查磁盘；在update时先更新缓冲，再更新磁盘。
• 但由于缓存断电就没了，所以需要redo.log日志。
• 在执行修改操作时，sql会先写入到redo.log日志，再写入缓存中。这样即使断电，也能保证数据不丢失，达到持久性

隔离性：-> 锁 + mvcc

• 多线程时多事务之间互相产生了影响，要避免这个影响，那就加锁。
• mysql的锁有表锁，行锁，间隙锁写。写操作通过加锁实现隔离性，渎操作通过MVCC实现

一致性：-> 上面三个为的就是保证一致性

• 就是事务再执行的前和后数据库的状态都是正常的，表现为没有违反数据完整性，参照完整性和用户自定义完整性等等。
• 而上面三种特性就是为了保证数据库的有一致性

二：MySQL事务机制综述

1：手动管理事务

在MySQL中，提供了一系列事务相关的命令，如下：

• start transaction | begin | begin work：开启一个事务
• commit：提交一个事务
• rollback：回滚一个事务

-- 开启一个事务
start transaction;-- 第一条SQL语句
-- 第二条SQL语句
-- 第三条SQL语句-- 提交或回滚事务
commit || rollback;

事务是基于当前数据库连接而言的，而不是基于表，一个事务可以由操作不同表的多条SQL组成，这句话什么意思呢？

上面画出了两个数据库连接，假设连接A中开启了一个事务，那后续过来的所有SQL都会被加入到一个事务中

也就是说图中连接A，后面的SQL2、SQL3、SQL4、SQL5这四条都会被加入到一个事务中，只要在未曾收到commit/rollback命令之前，这个连接来的所有SQL都会加入到同一个事务中

因此开启事务后一定要做提交或回滚处理。

在连接A中开启事务，是不会影响连接B的：事务是基于当前数据库连接的，每个连接之间的事务是具备隔离性的

🎉 可视化工具中，新建一个查询时，本质上它就是给你建立了一个数据库连接，每一个新查询都是一个新的连接

单个语句会被认为是单个事务，并且开启了默认的自动提交事务，所以一条条语句修改了，其他连接立即可见

-- 查看 自动提交事务 是否开启
SHOW VARIABLES LIKE 'autocommit';-- 关闭或开启自动提交
-- [0/ON]是相同的意思，表示开启自动提交，[1/OFF]则表示关闭自动提交。
SET autocommit = 0|1|ON|OFF;

2：事务回滚点

假设目前有一个事务，由很多条SQL组成，我想让其中一部分执行成功后，就算后续SQL执行失败也照样提交，这样可以做到吗？

从前面的理论上来看，一个事务要么全部执行成功，要么全部执行失败，似乎做不到啊，但实际上是可以做到的，这里需要利用事务的回滚点机制。

事务回滚点的概念：

在某些SQL执行成功后，但后续的操作有可能成功也有可能失败

不管成功亦或失败，你都想让前面已经成功的操作生效时，此时就可在当前成功的位置设置一个回滚点。

当后续操作执行失败时，就会回滚到该位置，而不是回滚整个事务中的所有操作，这个机制则称之为事务回滚点。

在MySQL中提供了两个关于事务回滚点的命令：

• savepoint point_name：添加一个事务回滚点
• rollback to point_name：回滚到指定的事务回滚点

-- 先查询一次用户表
SELECT * FROM zz_users;-- 开启事务
start transaction;-- sql1: 修改 ID=4 的姓名为：黑熊
update zz_users set user_name = "张三" where user_id = 4;-- 添加一个事务回滚点：update_name
savepoint update_name;-- sql2: 删除 ID=1 的行数据
delete from zz_users where user_id = 1;-- 如果sql2失败了，回滚到 update_name 这个事务点
rollback to update_name;
-- 再次查询一次数据
SELECT * FROM zz_users;
-- 提交事务
COMMIT;

⚠️ 回滚到事务点后不代表着事务结束了，只是事务内发生了一次回滚，如果要结束当前这个事务，还依旧需要通过commit|rollback;命令处理。

3：事务问题和隔离机制（面试）

上面说，一个连接的事务并不会影响其他连接，而这个是通过事务隔离机制实现的

在MySQL中，事务隔离机制分为了四个级别：

• Read uncommitted/RU：读未提交
• Read committed/RC：读已提交
• Repeatable read/RR：可重复读
• Serializable：序列化/串行化

上述四个级别，越靠后并发控制度越高，也就是在多线程并发操作的情况下，出现问题的几率越小，但对应的也性能越差

MySQL的事务隔离级别，默认为第三级别：Repeatable read(RR)可重复读

想要真正理解这几个隔离级别，得先明白几个因为并发操作造成的问题。

事务是基于数据库连接的，数据库连接本身会有一条工作线程来维护，也就是说事务的执行本质上就是工作线程在执行

因此所谓的并发事务也就是指多条线程并发执行。

3.1：事务问题

3.1.1：脏读问题

脏读的意思是指一个事务读到了其他事务还未提交的数据(未提交的数据->脏数据)

也就是当前事务读到的数据，由于还未提交，因此有可能会回滚

在个图中，事务A先扣减了库存，然后事务回滚时又加了回去，但连接2已经将扣减后的库存数量读回去操作了，这个过程就被称为数据库脏读问题。

这个问题很严重，会导致整个业务系统出现问题，数据最终错乱。

3.1.2：不可重复读

不可重复读问题是指在一个事务中，多次读取同一数据，先后读取到的数据信息不一致

3.1.3：幻读问题

幻读是指：另外一个事务在第一个事务要处理的目标数据范围之内新增了数据，然后先于第一个事务提交造成的问题

3.1.4：脏写问题

多个事务一起操作同一条数据，例如两个事务同时向表中添加一条ID=88的数据，此时就会造成数据覆盖，或者主键冲突的问题

这个问题也被称之为更新丢失问题。

3.2：四大隔离级别

既然有上面的问题，那这些问题该怎么解决呢？

其实四个事务隔离级别，解决的实际问题就是这三个，因此一起来看看各级别分别解决了什么问题：

事务隔离级别	脏读	不可重复读(修改)	幻读(增删)
读未提交read-uncommitted RU	会造成	会造成	会造成
读已提交read-committed RC	不会造成	会造成	会造成
可重复读repeatable-read RR	不会造成	不会造成	会造成
串行化serializable	不会造成	不会造成	不会造成

MySQL InnoDB存储引擎默认的事务隔离级别是可重复读RR

MySQL MyISAM存储引擎默认的事务隔离级别是读已提交RC

MySQL默认是处于第三级别的，可以通过如下命令查看目前数据库的隔离级别：

-- 查询方式①
SELECT @@transaction_isolation;
-- 查询方式②
show variables like '%transaction_isolation%';

其实数据库不同的事务隔离级别，是基于不同类型、不同粒度的锁实现的，因此想要真正搞懂隔离机制，还需要弄明白MySQL的锁机制[后面说]

3.2.1：读未提交级别(RU)

设计思路：写互斥锁

这种隔离级别是基于写互斥锁实现的，当一个事务开始写某一个数据时，另外一个事务也来操作同一个数据

此时为了防止出现问题则需要先获取锁资源，只有获取到锁的事务，才允许对数据进行写操作

同时获取到锁的事务具备排他性/互斥性，也就是其他线程无法再操作这个数据。

可以解决的问题：只能解决脏写问题

这个级别中，写同一数据时会互斥，但读操作却并不是互斥的

也就是当一个事务在写某个数据时，就算没有提交事务，其他事务来读取该数据时，也可以读到未提交的数据

因此就会导致脏读、不可重复读、幻读一系列问题出现。

由于在这个隔离级别中加了「写互斥锁」，因此不会存在多个事务同时操作同一数据的情况，因此这个级别中解决了脏写问题

3.2.2：读已提交(RC)

设计思路：写互斥锁 + MVCC

在这个隔离级别中，对于写操作同样会使用「写互斥锁」，也就是两个事务操作同一数据时，会出现排他性

而对于读操作则使用了一种名为MVCC多版本并发控制的技术处理

也就是有事务中的SQL需要读取当前事务正在操作的数据时，MVCC机制不会让另一个事务读取正在修改的数据，而是读取上一次提交的数据（老数据）

可以解决的问题：可以解决脏写和脏读

在这个隔离级别中，基于同一条数据而言，对于写操作会具备排他性，对于读操作则只能读已提交事务的数据，不会读取正在操作但还未提交的事务数据

所以RC可以解决脏写和脏读

为了理解还是简单的说一下其过程

同样有两个事务A、B。事务A的主要工作是负责更新ID = 1的这条数据，事务B中则是读取ID = 1的这条数据。

此时当A正在更新数据但还未提交时，事务B开始读取数据

此时MVCC机制则会基于表数据的快照创建一个ReadView，然后读取原本表中上一次提交的老数据。

然后等事务A提交之后，事务B再次读取数据，此时MVCC机制又会创建一个新的ReadView，然后读取到最新的已提交的数据

此时事务B中两次读到的数据并不一致，因此出现了不可重复读问题。

🎉 MVCC后面会详细说

3.2.3：可重复读级别(RR)

设计思路：写互斥锁 + MVCC[这个和RC的MVCC有不同之处]

在这个隔离级别中，主要就是解决上一个级别中遗留的不可重复读问题

但MySQL依旧是利用MVCC机制来解决这个问题的，只不过在这个级别的MVCC机制会稍微有些不同。

• 在RC中，一个事务中每次查询数据时，都会创建一个新的ReadView，然后读取最近已提交的事务数据，因此就会造成不可重复读的问题
• 在RR中，则不会每次查询时都创建新的ReadView，而是在一个事务中，只有第一次执行查询会创建一个ReadView

在这个事务的生命周期内，所有的查询都会从这一个ReadView中读取数据

从而确保了一个事务中多次读取相同数据是一致的，也就是解决了不可重复读问题。

然而，RR依旧解决不了幻读的问题，后面说Next-key + 行锁的时候会解释RR如何解决幻读问题

3.2.4: 可序列化/串行化

“给老子一个个的执行，什么并发问题就都不存在了”

这个隔离级别是最高的级别，处于该隔离级别的MySQL绝不会产生任何问题

因为从它的名字上就可以得知：序列化意思是将所有的事务按序排队后串行化处理

也就是操作同一张表的事务只能一个一个执行，事务在执行前需要先获取表级别的锁资源，拿到锁资源的事务才能执行

其余事务则陷入阻塞，等待当前事务释放锁。

但这种隔离级别会导致数据库的性能直线下降，毕竟相当于一张表上只能允许单条线程执行了，虽然安全等级最高，可以解决脏写、脏读、不可重复读、幻读等一系列问题，但也是代价最高的，一般线上很少使用。

3.3：事务隔离机制的命令

-- 方式①：查询当前数据库的隔离级别
SELECT @@transaction_isolation;
-- 方式②：查询当前数据库的隔离级别
show variables like '%transaction_isolation';-- 设置隔离级别为RU级别（当前连接生效）
set transaction isolation level read uncommitted;
-- 设置隔离级别为RC级别（全局生效）
set global transaction isolation level read committed;-- 设置隔离级别为RR级别（当前连接生效）
-- 这里和上述的那条命令作用相同，是第二种设置的方式
set transaction_isolation = 'repeatable-read';
-- 设置隔离级别为最高的serializable级别（全局生效）
set global.transaction_isolation = 'serializable'; 

三：事务实现原理

1：一条SQL的事务机制

MySQL默认开启事务的自动提交(autocommit = on)，并且将一条SQL视为一个事务。

那MySQL在何种情况下会将事务自动提交呢？什么情况下又会自动回滚呢？

想要弄明白这个问题，首先得回顾一下三个日志：undo-log、redo-log、bin-log。

• undo-log：主要记录SQL的撤销日志，比如目前是insert语句，就记录一条delete日志。
• redo-log：记录当前SQL归属事务的状态，以及记录修改内容和修改页的位置。
• bin-log：记录每条SQL操作日志，主要是用于数据的主从复制与数据恢复/备份。

在写SQL执行记录的三个日志中，bin-log暂且不需要关心，这个跟事务机制没关系

重点是undo-log、redo-log这两个日志，其中最重要的是redo-log这个日志。

redo-log是一种WAL(Write-ahead logging)预写式日志

在数据发生更改之前会先记录日志，也就是在SQL执行前会先记录一条prepare状态的日志，然后再执行数据的写操作。

MySQL是基于磁盘的，但磁盘慢，因此MySQL-InnoDB引擎中不会直接将数据写入到磁盘文件中，而是会先写到BufferPool缓冲区中

当SQL被成功写入到缓冲区后，紧接着会将redo-log日志中相应的记录改为commit状态，然后再由MySQL刷盘机制去做具体的落盘操作。

因为默认情况下，一条SQL会被当成一个事务，数据写入到缓冲区后，就代表执行成功，会自动修改日志记录为commit状态，后续由后台线程执行刷盘动作。

2：多条SQL的事务机制

多条SQL就要手动的声明事务和提交操作了

-- 开启事务
start transaction;
-- 修改 ID=4 的姓名为：张三（原本user_name = 1111）
update zz_users set user_name = "张三" where user_id = 4;
-- 删除 ID=1 的行数据
delete from zz_users where user_id = 1;
-- 提交事务
commit;

1. 当MySQL执行时，碰到start transaction;的命令时，会将后续所有写操作全部先关闭自动提交机制，也就是后续的所有写操作，不管有没有成功都不会将日志记录修改为commit状态。
2. 先在redo-log中为第一条SQL语句，记录一条prepare状态的日志，然后再生成对应的撤销日志并记录到undo-log中，然后执行SQL，将要写入的数据先更新到缓冲区。
3. 再对第二条SQL语句做相同处理，如果有更多条SQL则逐条依次做相同处理…

3：事务的恢复机制

bufferPool刷入磁盘的时候宕机了怎么办

对于这个问题呢实际上并不需要担心，因为前面聊到过redo-log是一种预写式日志，会先记录日志再去更新缓冲区中的数据

所以就算缓冲区的数据未被刷写到磁盘，在MySQL重启时，依旧可以通过redo-log日志重新恢复未落盘的数据，从而确保数据的持久化特性。

记录日志的时候宕机了怎么办？

先明确一点：只要进入bufferPool，就说明已经执行成功了，redo-log就有记录，此时会返回写入成功的提示，即使这时候数据库宕机了也没事，此时只是没有落盘而言，所以MySQL重启后只需要再次落盘即可。

如果在记录日志的时候MySQL宕机了，这代表着SQL都没执行成功，SQL没执行成功的话，MySQL也不会向客户端返回任何信息

因为MySQL一直没返回执行结果，因此会导致客户端连接超时，而一般客户端都会有超时补偿机制的，比如会超时后重试

如果MySQL做了热备/灾备，这个重试的时间足够MySQL重启完成了，因此用户的操作依旧不会丢失（对于补偿机制，在各大数据库连接池中是有实现的）。

没做热备/灾备，这时候记录日志的时候宕机了怎么办？

如果是这样的情况，那就只能说是寄了！！！毕竟MySQL挂了一直不重启，不仅仅当前的SQL会丢失，后续平台上所有的用户操作都会无响应

这属于系统崩溃级别的灾难了，因此只能靠完善系统架构来解决。