InnoDB 事务的四种隔离机制以及底层实现原理

关键词说明

1. 脏读、不可重复读和幻影读

脏读、不可重复读和幻影读是数据库事务隔离级别的问题，它们描述了在多个事务并发执行时可能发生的不一致情况。

1. 脏读（Dirty Read）： 脏读是指一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据修改。当一个事务修改了数据，但尚未提交时，其他事务如果读取了这个未提交的数据，就会导致脏读。脏读可能会导致读取到不正确或不一致的数据，因为尚未提交的数据可能会在事务回滚时被撤销。

2. 不可重复读（Non-Repeatable Read）： 不可重复读是指在同一个事务内，两次读取同一行数据时，得到了不同的结果。这发生在一个事务在读取数据后，另一个事务修改了该数据并提交，然后第一个事务再次读取同一行数据。这导致了数据的不一致性，因为事务内部的数据视图发生了变化。

3. 幻影读（Phantom Read）： 幻影读是指在同一个事务内，两次执行相同的查询时，得到了不同的结果集，通常是由于其他事务插入或删除了行数据导致的。与不可重复读不同，幻影读通常涉及到行的插入或删除，而不仅仅是数据的修改。

这些问题是因为不同的事务隔离级别引入的。不同隔离级别允许不同程度的并发和数据一致性，因此在选择隔离级别时，需要权衡性能和数据一致性的需求。以下是这些问题在不同隔离级别下的典型情况：

• READ UNCOMMITTED 隔离级别允许脏读、不可重复读和幻影读。
• READ COMMITTED 隔离级别解决了脏读问题，但仍然允许不可重复读和幻影读。
• REPEATABLE READ 隔离级别解决了脏读和不可重复读问题，但仍然允许幻影读。
• SERIALIZABLE 隔离级别解决了脏读、不可重复读和幻影读，但可能会引入性能开销，因为它要求事务串行执行。

2. 什么是事务快照

事务快照（Transaction Snapshot）用于确定在一个事务执行期间可以看到哪些数据版本。事务快照的创建是为了维持隔离性和一致性，特别是在使用多版本并发控制（MVCC）实现不同事务隔离级别时。

1. 事务开始时快照： 当一个事务开始执行时，它会记录当前时间戳或事务ID作为自己的事务开始时快照。这个快照表示了事务启动时数据库的状态。

2. 读取数据时使用快照： 在事务执行期间，所有读取数据的操作都会使用事务开始时的快照，而不是实时的数据库状态。这意味着事务会看到在它开始之前已提交的数据版本，而不会看到后续未提交的数据修改。

3. 保持一致性： 使用事务快照的好处是，它确保了事务在整个执行期间能够看到一致性的数据。这有助于防止脏读、不可重复读和幻影读等并发问题。

事务快照的创建和使用是多版本并发控制的核心概念。不同的事务隔离级别（如 READ COMMITTED、REPEATABLE READ 和 SERIALIZABLE）会使用不同的快照策略来确保数据一致性和隔离性。

例如，在 READ COMMITTED 隔离级别下，每个事务会使用自己的事务开始时快照，以便读取已提交的数据版本，而不读取未提交的数据版本。这可以防止脏读问题。在 REPEATABLE READ 隔离级别下，事务也会使用自己的快照，但它会在整个事务执行期间一直使用相同的快照，以确保一致性的数据视图。

总之，事务快照是数据库系统中的关键概念，用于维护事务隔离级别和一致性。它确保了在事务执行期间，每个事务都可以看到一致性的数据版本，而不会受到其他并发事务的影响。

3. 什么是MVCC（多版本并发控制）

多版本并发控制（MVCC）是一种在数据库管理系统中实现事务隔离级别的技术。它的核心思想是为每个事务创建一个一致性的数据快照，从而在多个事务并发执行时，每个事务都可以看到自己一致性的数据版本。MVCC 提供了高度的隔离性，同时允许并发事务访问数据库，而不会产生冲突或阻塞。

以下是关于MVCC的详细说明：

数据版本

在MVCC中，每个数据行都会有多个版本，每个版本都有一个唯一的时间戳或事务ID。这些版本用于跟踪数据的历史变化。具体来说：

• 已提交版本（Committed Version）： 这是已经被成功提交的事务所产生的数据版本。已提交版本是对外可见的，其他事务可以读取这个版本的数据。

• 未提交版本（Uncommitted Version）： 这是由尚未提交的事务所产生的数据版本。未提交版本对其他事务是不可见的，它们只能由创建它们的事务本身访问。

事务快照

每个事务在开始时都会创建一个一致性的数据快照，该快照基于事务开始时的时间戳或事务ID。这个快照用于确定在事务执行期间可以看到哪些数据版本。具体来说：

• 事务开始时快照（Transaction Start Snapshot）： 当一个事务开始时，它会记录当前时间戳或事务ID作为自己的事务开始时快照。

• 读取数据时使用快照： 在事务执行期间，所有读取数据的操作都会使用事务开始时的快照，以便读取一致性的数据版本。

MVCC实现隔离级别

MVCC 实现了数据库的各个隔离级别（如 READ COMMITTED、REPEATABLE READ 和 SERIALIZABLE）：

1. READ COMMITTED（读已提交）： 在这个隔离级别下，事务会读取已提交版本的数据，但不会读取未提交版本。每个事务都使用自己的事务开始时快照，确保它只能看到已提交版本的数据。这防止了脏读问题。

2. REPEATABLE READ（可重复读）： 在这个隔离级别下，事务会使用自己的事务开始时快照来读取数据，确保在整个事务执行期间只能看到已提交版本的数据。这防止了不可重复读问题，但仍允许幻影读。

3. SERIALIZABLE（串行化）： SERIALIZABLE 隔离级别要求事务按照串行执行的方式运行，每个事务在开始时会创建一个自己的事务开始时快照，并在整个事务执行期间使用它。这确保了最高级别的隔离性，防止了脏读、不可重复读和幻影读。

4. 串行执行

串行执行（Serial Execution）是一种数据库事务执行的方式，其中每个事务按照严格的顺序一个接一个地执行，而不允许并发执行。这意味着一个事务必须在另一个事务完成之后才能开始执行。串行执行确保了最高级别的事务隔离和数据一致性，因为每个事务都能够在没有其他事务干扰的情况下访问数据库。

以下是关于串行执行的一些关键特点：

1. 完全隔离： 串行执行提供了最高级别的事务隔离。在一个事务执行时，其他事务无法访问或修改相同的数据，因此可以防止脏读、不可重复读和幻影读等并发问题。

2. 顺序执行： 事务按照它们的提交顺序一个接一个地执行。这意味着数据库系统会按照提交事务的顺序来处理它们，不会允许多个事务同时运行。

3. 性能开销： 串行执行可能会引入较大的性能开销，因为它会限制并发性。只有一个事务能够执行，其他事务必须等待。这可能导致系统响应时间变慢，特别是在高并发的情况下。

串行执行通常在数据库事务隔离级别为 SERIALIZABLE 时发生。SERIALIZABLE 隔离级别要求事务按照串行执行的方式运行，以确保最高级别的隔离和一致性。虽然串行执行提供了最高级别的数据一致性，但在高负载和大规模并发的情况下，它可能会导致性能下降，因为大量的事务需要等待执行。

因此，在选择事务隔离级别时，需要根据应用程序的需求权衡性能和数据一致性。串行执行适用于对数据一致性要求极高的场景，但需要谨慎使用，以避免性能问题。其他隔离级别（如 READ COMMITTED 和 REPEATABLE READ）提供了更好的性能，同时在一定程度上保持了数据一致性。

四种隔离机制以及实现方式

InnoDB 是 MySQL 数据库中常用的存储引擎之一，支持多种事务隔离级别，这些隔离级别定义了在多个并发事务同时运行时，它们之间的数据可见性和隔离程度。InnoDB 支持四种标准的事务隔离级别，它们是：

1. READ UNCOMMITTED（读未提交）： 这是最低级别的隔离，它允许一个事务读取另一个事务尚未提交的修改。这意味着事务之间没有隔离，可能会导致脏读、不可重复读和幻影读问题。通常情况下不建议使用这个隔离级别，因为它会引入数据一致性问题。

2. READ COMMITTED（读已提交）： 这是默认的隔离级别。它确保一个事务只能读取已经提交的其他事务的修改，避免了脏读。然而，它仍然允许不可重复读和幻影读的出现。大多数情况下，READ COMMITTED 是一个合理的选择，因为它在提供一定的隔离性的同时，性能较好。

3. REPEATABLE READ（可重复读）： 这个隔离级别确保一个事务在整个事务执行期间都能看到相同的数据快照，避免了不可重复读问题。它通过在事务开始时创建一个一致性的快照来实现这一点。但是，REPEATABLE READ 仍然允许幻影读的出现，因为它不锁定读取的行。

4. SERIALIZABLE（串行化）： 这是最高级别的隔离，它确保事务之间的完全隔离，不允许任何形式的并发问题，包括脏读、不可重复读和幻影读。为了实现这种隔离级别，InnoDB 会对读取的数据进行锁定，以确保其他事务不能同时修改这些数据。

要选择正确的事务隔离级别，需要根据应用程序的需求来决定。更高的隔离级别通常会导致更多的锁定和性能开销，因此需要权衡隔离性和性能之间的权衡。在大多数情况下，READ COMMITTED 或 REPEATABLE READ 都是合适的选择，但具体的选择要根据应用程序的并发访问模式和数据一致性需求来确定。

1. READ UNCOMMITTED（读未提交）

在 READ UNCOMMITTED 隔离级别下，InnoDB 不会对读取的数据进行锁定，也不会维护数据的历史版本。这意味着一个事务可以读取其他事务尚未提交的数据更改，可能导致脏读。

实现方式：

• 无锁定： InnoDB 不会对读取的数据行进行任何锁定。因此，多个事务可以同时读取和修改相同的数据行。

• 没有数据版本控制： InnoDB 不会维护数据的历史版本。读取操作会返回当前未提交事务所做的更改。

这种级别的实现非常简单，但它会牺牲数据一致性，因此通常不建议使用。

2. READ COMMITTED（读已提交）

在 READ COMMITTED 隔离级别下，InnoDB 会对读取的数据行进行共享锁，以确保其他事务不能同时修改这些数据行。同时，它使用 MVCC 来提供一致性的数据快照。

实现方式：

• 共享锁（Shared Locks）： 当一个事务读取数据行时，InnoDB 会获取共享锁，这可以防止其他事务获取排他锁并修改相同的数据行。

• 版本控制（MVCC）： InnoDB 使用 MVCC 机制，在每个数据行上维护多个版本。当一个事务开始时，它会创建一个事务ID和时间戳的快照，用于确定在该事务开始时已提交的数据版本。读取操作会根据这个快照来返回一致性的数据，避免脏读问题。

这种实现方式提供了一定的隔离性和数据一致性，同时性能较好。

3. REPEATABLE READ（可重复读）

在 REPEATABLE READ 隔离级别下，InnoDB 使用 MVCC 来创建一致性的数据快照，确保一个事务在整个事务执行期间都能看到相同的数据。此外，它也会对读取的数据行进行共享锁。

实现方式：

• 版本快照： 在事务开始时，InnoDB 会为该事务创建一个一致性的数据快照，包含了所有读取操作所需的数据版本。

• 共享锁： InnoDB 会对读取的数据行获取共享锁，以确保其他事务不能同时修改这些数据。这防止了不可重复读问题。

REPEATABLE READ 隔离级别提供了更严格的一致性，但仍然允许幻影读的出现，因为它不锁定读取的行。

4. SERIALIZABLE（串行化）

在 SERIALIZABLE 隔离级别下，InnoDB 会对读取的数据行获取排他锁，阻止其他事务同时读取或修改这些数据行。这种级别要求事务按照严格的串行执行顺序运行，以确保完全的隔离性。

实现方式：

• 排他锁（Exclusive Locks）： 当一个事务读取数据行时，InnoDB 会获取排他锁，这会阻止其他事务同时读取或修改相同的数据行。

• 强制串行执行： SERIALIZABLE 隔离级别要求事务按照串行执行的方式运行，即一个事务完成后，下一个事务才能开始执行。这确保了事务之间的完全隔离，防止任何并发问题的发生。

SERIALIZABLE 提供了最高级别的隔离和一致性，但通常会引入较大的性能开销，因为它会阻塞其他事务的执行。

总之，InnoDB 的四种事务隔离级别在底层使用了不同的锁定策略和数据版本控制机制，以满足不同应用程序的需求。选择适当的隔离级别需要综合考虑数据一致性、性能和并发需求。