数据库事务隔离级别简介
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对于数据库的ACID，最近又复习了一下，整理如下。
Q: 什么是ACID?
A: 四个单词的首字母缩写，其分别为：
- Atomicity(原子性)
- Consistency(一致性)
- Isolation(隔离性)
- Durability(持久性)
那么缩写的这四个又是什么？来看看WIKI:
In computer science, ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) is a set of properties of database transactions intended to guarantee validity even in the event of errors, power failures, etc.
翻译一下：
在计算机科学中，ACID是数据库事务(Database transactions)的一组属性，用来保证数据库在出错、断电等情况下的正确性(Validity)。
换句话说，数据库中的事务，如果满足了ACID，那么在出错和断电的情况下，也能保证其正确性。所谓正确，也就是在该类场景下，表现的行为符合预期。
那么，什么样的行为才是符合预期的行为？留待后面回答。
K: 事务的属性，正确性
Q: 什么样的行为才是预期的行为？
Q: 什么是事务？
A: 依然来看看wiki：
In the context of databases, a sequence of database operations that satisfies the ACID properties (and these can be perceived as a single logical operation on the data) is called a transaction.
翻译：
在数据库的上下文中，一系列满足ACID条件（并在逻辑上可以认为是对数据的一个操作）的操作，称为事务。
主谓拆分：
- 事务，是一系列的操作
- 这一系列的操作，满足ACID
- 逻辑上，这一系列的操作可以看做是对数据的一个操作
举个例子：
转账：从李四的账户转200块到张三的的账户上。
- 一系列的操作：
- 从李四账户上减去200块
- 在张三账户上加上200块
- 这一系列的操作符合ACID
- 逻辑上讲，转账可以看做对数据的一个操作
K: 系列操作，满足ACID，逻辑单个
R: 组合起来，形成事务，all的关系
Q: ACID分别是什么？什么情况才算满足了？
Q: Atomicity是什么？
A: 继续WIKI
An atomic transaction is an indivisible and irreducible series of database operations such that either all occur, or nothing occurs.
翻译：
一个原子事务是指一系列不可分割、不可消减的操作，它们要么全执行，要么全不执行。
首先Atomicity是事务的一个属性，所以解释的时候，必然会涉及到事务。解释具体这个属性的事务的预期行为。
这里，有一个我认为十分好记的关键字：All or Nothing，我翻译为所有或无。
K: 事务的属性，All or Nothing
Q: Consistency是什么？
A: WIKI
Consistency in database systems refers to the requirement that any given database transaction must change affected data only in allowed ways.
翻译：
数据库中的一致性，要求数据库事务对数据的影响必须是被允许的。
被谁允许的呢？
数据库本身。数据库具有一些constraints(限制)，满足这些限制条件的，即是被允许的，否则就是不被允许的。即不允许，也就是不满足数据库的限制条件。
什么是数据库的限制(Database Constraints)?
A constraint is a property assigned to a column or the set of columns in a table that prevents certain types of inconsistent data values from being placed in the column(s).
-- What is data integrity? Explain constraints
翻译：
一个限制，是应用于数据库表中的一个或者几个列的规则，这些规则防止（与其他列不一样的）不一致的数据被存放到列中。
主谓分析：
- 限制是规则
- 针对表中的列的规则
- 防止不一致的数据出现
数据库的限制(Database Constraints)有哪些？
- Entity Integrity，保证没有重复的列
- Domain Integrity ，数据满足定义的格式、类型、范围等
- Referential integrity ，存在引用的列不能被删除
- User-Defined Integrity ，用户自定义的，不在上面三个里面的规则
举些例子：
- Primary Key （主键）
- Foreign Key （外键）
- Not Null
- Unique
- ...
Consistency，一致性，我认为就是需要数据库里面的数据在时间上是一致的，比如1分钟前插入的数据和1分钟之后插入的数据都是满足同一套约束条件的。
所谓一致，即满足同一套规则。
K: 一致，约束，同一套规则
Q: Isolation是什么？
A: WIKI
Isolation is typically defined at database level as a property that defines how/when the changes made by one operation become visible to other.
翻译：
隔离性，是指数据库里面的一个操作产生的影响如何/什么时候对另一个操作可见。
这里有些断章取义的意味，更合适的，我认为应该是：
隔离性，规定了什么时候，一个事务产生的影响如何对另一个事务可见。
Isolation牵涉到两个概念：
- Concurrency Control。并发控制，往往通过加锁的方式对并发操作进行一定的控制
- Isolation Levels。隔离级别，由高到低分为四种：
- Serializable, 串行，即两个事务不能同时执行，只有一个执行完成之后，才执行另一个
- Repeatable reads, 可重复读
- Read committed, 提交读，简单来说，就是提交了的数据才能读到
- Read uncommitted, 未提交读，即未提交的数据也能读到
committed的意思就是提交，一般表示一个事务的结束。
Read Uncommitted: 直接翻译一下就是读取了未提交的数据，即事务A在进行操作的时候，事务B对数据产生的改动会被A直接读取到。这样的影响在于：事务A读取到的事务B产生的改动是不安全的，因为该改动可能被事务B回滚。这种情况，称为“脏读”，即读取了脏数据（事务B产生的改动）。
Read Committed: 直译就是读取的是已提交的数据。显而易见，这可以避免上面提到的脏读。然而，这样也有问题。其场景为：事务A在一个事务中需要两次读取同一条数据，在读取的间隙，事务B对该数据进行了改动，然后提交了。此时会造成事务A
两次读取到的数据不一样，虽然按道理应该是一样的。这样的问题，称为“不可重复读”
Repeatable Reads: 直译为可重复读。即保证了同一事务中两次读取的数据是一致的。即在事务开始之后，其他事务对数据的改动对该事务不可见。这时候出现的问题是，如果事务A中两次进行了范围查询（比如select * from user where age > 10），在两次查询之间，事务B插入了一条满足查询的数据，那么事务A中两次范围查询的结果不一样。此时事务A感觉出现了幻觉，这种情况，我们称为幻读。
Serializable：事务串行执行，可以解决上面提到的“脏读”、“不可重复读”、“幻读”问题，然而代价是不支持并行，性能差。
鉴于比较繁琐，列个表：
| 事务级别 | 可能出现的问题 | 出现问题的场景 | 造成的影响 |
|---|---|---|---|
| Read Uncommitted | 脏读 | 事务A读取了事务B即将回滚的数据 | 读取了错误的数据 |
| Read Committed | 不可重复读 | 事务A进行了两次数据读取，读取间隙，该数据被事务B改动且提交了 | 两次读取内容不一样，可能造成操作出错 |
| Repeatable Reads | 幻读 | 事务A进行了两次范围读取，读取间隙，该范围被事务B插入了数据且提交了 | 两次读取内容不一样，可能造成操作出错 |
| Serializable | 无 | 串行执行 | 性能低 |
K: 多个事务，影响可见，隔离级别
R:
Q: 各个事务级别如何实现？
Q: 各个事务级别如何实现？
A: 大约有两种方式：
- 锁
- 多版本并发控制(MVCC，Multi-Version Concurrency Control)
先来看看锁的实现方式。这里我们使用Mysql的一些定义[6]，锁可以分为两种：
- 共享锁(shared(s) lock)，多个事务可以共享
- 排他锁(exclusive(x) lock)，同一时间，只能一个事务可以持有
一般来说：
- 读取数据的时候，需要获取共享锁，即s锁
- 修改或者删除数据的时候，需要获取排他锁
此处考虑两种情况及其处理方式：
- 假设事务T1持有对行r的一个s锁，此时另一个事务T2需要对r行进行操作：
- 事务T2希望获取s锁，此时可以立即获取到s锁
- 事务T2希望获取x锁，此时无法立即获取到（需要等待之前的s锁被释放。有没有可能多个事务一直对某行加s锁，而一个想获取到x锁的事务一直都无法得到x锁(starving problem)？此时可以考虑请求锁的顺序，比如将锁的请求放到一个队列里面，先进先出。）
- 假设事务T1持有对行r的一个x锁，此时另一个事务T2需要对r行进行操作：
- 事务T2希望获取s锁，无法立即获取，需要等待x锁释放
- 事务T2希望获取x锁，无法立即获取，需要等待x锁释放
可能的实现方式(读写前获取锁，事务结束之后释放锁)：
| 隔离级别 | 读写锁实现 |
|---|---|
| Read Uncommitted | 无需任何锁 |
| Read Committed | 写锁等待读锁全部被释放，表明所有读操作完成。 写锁排斥读锁，因此写入的时候没有任何读操作 |
| Repeatable Read | 同上，由于写入的同时保证了没有事务在进行读取，因此不会出现不可重复读 |
| Serializable | 全都用排他锁咯 |
MVCC可以归纳为snapshot(快照)的其中一种。
为什么要使用MVCC？
最早的数据库系统，只有读读之间可以并发，读写，写读，写写都要阻塞。引入多版本之后，只有写写之间相互阻塞，其他三种操作都可以并行，这样大幅度提高了InnoDB的并发度。
---------http://mysql.taobao.org/monthly/2017/12/01/
| 隔离级别 | 读写锁实现 |
|---|---|
| Read Uncommitted | 不支持 |
| Read Committed | 读取之前获取快照，写锁并不需要等待读锁，读锁也不需要等待写锁的释放 事务读取的是快照，因此不会读取到事务未提交的数据 |
| Repeatable Read | 事务一开始的时候就获取快照 |
| Serializable | 不支持 |
Q: Durability是什么？
A: WIKI
In database systems, durability is the ACID property which guarantees that transactions that have committed will survive permanently.
翻译：
数据库中，持久性，表示事务提交之后，其产生的改变将会永久(permanently)存在。
就是说，事务提交了，那么这个事务的操作，对数据也就生效了。就算之后数据库挂了，机器断电了，这个改动依然存在，重启之后依然存在。
顺便提一句，对断电之后的处理，有一种方式是：事务提交之前，先把改动记录到log里面，然后每次启动的时候从log里面恢复数据。
K: 事务提交之后，依然存在
R: 发生的时间，结果
参考资料：
[1], https://en.wikipedia.org/wiki/Isolation_%28database_systems%29
[2], https://docs.microsoft.com/en-us/sql/connect/jdbc/understanding-isolation-levels?view=sql-server-2017
[3],[https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSEPGG_10.5.0/com.ibm.db2.luw.admin.perf.doc/doc/c0004121.html(https://www.ibm.com/support/knowledgecenter/en/SSEPGG_10.5.0/com.ibm.db2.luw.admin.perf.doc/doc/c0004121.html)
[4], http://highscalability.com/blog/2011/2/10/database-isolation-levels-and-their-effects-on-performance-a.html
[5], https://www.allinterview.com/showanswers/5542/what-is-data-integrity-explain-constraints.html
[6], https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/innodb-locking.html
[7], 高性能Mysql
[8], http://ithare.com/databases-101-acid-mvcc-vs-locks-transaction-isolation-levels-and-concurrency/
