第七章 事务（上）

7.1 认识事务
7.1.1 概述
事务可由一条非常简单的SQL语句组成，也可以由一组复杂的SQL语句组成。事务是访问并更新数据库中各种数据项的一个程序执行单元。在事务中的操作，要么都做修改，要么都不做，这就是事务的目的，也是事务模型区别与文件系统的重要区别之一。理论上说，事务有着极其严格的定义，它必须同时满足四个特性，即通常所说的事务的ACID特性。但是数据库厂商处于各种目的，并没有严格去满足事务的ACID标准。对于InnoDB存储引擎而言，其默认的事务隔离级别为READ REPEATABLE ，完全遵循和满足事务的ACID特性。

A（Atomicity），原子性。原子性是指整个数据库事务是一个不可分割的工作单位。只有事务中所有的数据库操作都执行成功，才算整个事务成功。事务中任何一个SQL语句执行失败，已经执行成功的SQL语句也必须撤销，数据库状态应该退回到执行事务前的状态。

C（Consistency），一致性。一致性是指事务从一种状态转变为下一种一致的状态，在事务开始之前和事务结束以后，数据库完整性约束没有被破坏。例如，在表中有一个字段为姓名，为唯一性约束。如果有一个事务对姓名字段进行了修改，但是在事务提交或事务发生回滚之后，表中姓名字段变得非唯一了，这就破坏了事务的一致性要求，即事务将数据库从一种状态变成了一种不一致的状态。

D（Durability），持久性。事务一旦提交，其结果就是永久性的。即使发生宕机等故障，数据库也能将数据恢复。持久性保证事务系统的高可靠性（High Reliability），而不是高可用性（High Availablity）。

7.1.2 分类
从事务理论的角度来说，可用把事务分为以下几种类型：

• 扁平事务（Flat Transactions）
• 带有保存点的扁平事务（Flat Transactions with Savepoints）
• 链事务（Chained Transactionss）
• 嵌套事务（Nested Transactions）
• 分布式事务（Distributed Transactions）

扁平事务（Flat Transaction）
事务类型中最简单也是使用最为频繁的事务。在扁平事务中，所有操作都处于同一层次，其有BEGIN WORK开始，有COMMIT WORK或ROLLBACK WORK结束，其间的操作都是原子的，要么都执行，要么都回滚。扁平事务的主要限制是不能提交或者回滚事务的某一部分，或分几个步骤提交。如果要支持有计划的回滚操作，那么就不需要终止整个事务。因此就出现了带有保存点的扁平事务

带有保存点的扁平事务
除了支持扁平事务外，允许事务在执行过程中回滚到同一个事务中较早的一个状态。保存点用来通知系统应该记住事务当前的状态，以便当之后发生错误时，事务能回到保存点当时的状态。保存点用SAVE WORK函数来建立，通知系统记录当前的处理状态。保存带你在事务内部是递增的，这意味着ROLLBACK WORK不影响保存点的计数，并且单调递增的编号能保持事务执行的整个历史过程，包括在执行过程中想法的改变。

链事务
可视为保存点模式的一种变种。带有保存点的扁平事务，当系统发生崩溃是，所有保存点都将消失，因为其保存点是易失的，而非持久的。这意味着当进行恢复是，事务需要从开始处重新执行，而不能从最近的一个保存点继续执行。
链事务的思想是：在提交一个事务时，释放不需要的数据对象，将必要的处理上下文隐式地传给下一个要开始的事务。注意，提交事务操作和开始下一个事务操作将合并为一个原子操作。这意味着下一个事务能看到上一个事务的结果，就好像在一个事务中进行一样。
链事务和带有保存点的扁平事务不同的是，带有保存点的扁平事务能回滚到任意正确的保存点。而链事务的回滚仅限于当前事务，即只能恢复到最近一个保存点。对于锁的处理，两者也不同。链事务在执行commit之后即释放了当前事务所持有的锁，而带有保存点的扁平事务不影响迄今为止所持有的锁。

嵌套事务
有一个顶层事务控制着各个层次的事务。顶层事务之下嵌套的事务被称为子事务，其控制每一个局部的变换。
1.嵌套事务是由若干事务组成的一棵树，子树既可以是嵌套事务，也可以是扁平事务
2.处在叶节点的事务是扁平事务。但是每个子事务从根到叶节点的距离可以是不同的。
3.位于根节点的事务称为顶层事务，其他事务称为子事务。事务的前驱称为父事务，事务的下一层称为儿子事务。
4.子事务既可以提交，也可以回滚。但是它的提交并不马上生效，除非其父事务已经提交。因此可以推出，任何子事务都在顶层事务提交之后才能真正的提交。
5.树中的任意一个事务的回滚会引起它的所有子事务一同回滚，故子事务仅保留A，C，I 特性，不具有D的特性

分布式事务
通常是在一个分布式环境下运行的扁平事务，因此需要根据数据所在位置访问网络中的不同节点。

7.2 事务的实现
事务的隔离性由锁来实现。原子性、一致性、持久性通过数据库的redo log和undo log来完成。redo log称为重做日志，用来保证事务的原子性和持久性。undo log用来保证事务的一致性。

7.2.1 redo

1.基本概念
重做日志用来实现事务的持久性。其右两部分组成：一是内存中的重做日志缓冲（redo log buffer），其是易失的；二是重做日志文件（redo log file），其是持久的。

InnoDB是事务的存储引擎，其通过Force Log at Commit机制实现事务的持久性，即当事务提交时，必须先将该事务的所有日志写入到重做日志文件进行持久化，待事务的commit操作完成才算完成。这里的日志是指重做日志，在InnoDB存储引擎中，由两部分组成，即redo log和undo log。redo log用来保证事务的持久性，undo log用来帮助事务回滚即MVCC功能。redo log 基本上都是顺序写的，在数据库运行时不需要对redo log的文件进行读取操作。而undo log是需要进行随机读取的。
为了确保每次日志都写入重做日志文件，在每次将重做日志缓冲写入重做日志文件后，InnoDB存储引擎都需要调用一次fsync操作。这是因为重做日志文件打开并没有使用O_DIRECT选项，因此重做日志缓冲先写入文件系统缓存。为了确保重做日志写入磁盘，必须进行一个fsync操作，由于fsync的效率取决于磁盘的性能，所以磁盘的性能决定了事务提交的性能，也就是数据库的性能。

参数innodb_flush_log_at_trx_commit用来控制日志刷新到磁盘的策略。
当该参数值为0时，表示事务提交时不进行写入重做日志的操作，这个操作仅在Master Thread中完成，而在Master Thread中每1秒会进行一次重做日志文件的fsync操作。
当该参数值为1（默认）时，表示事务提交时必须调用一次fsync操作。
当该参数值为2时，表示事务提交时将重做日志写入重做日志文件，但仅写入文件系统的缓存中，不进行fsync操作。在这个设置下，当MySQL数据库发生宕机而操作系统不发生宕机时，并不会导致事务的丢失。而当操作系统宕机时，重启数据库后会丢失文件系统缓存刷新到重做日志文件那部分事务。
虽然用户可以通过设置参数innodb_flush_log_at_trx_commit为0或者2来提高事务提交的性能，但是需要牢记的是，这种设置方法丧失了事务的ACID特性。

在MySQL数据库中还有一种二进制日志（bin log），其用来进行point-in-time的恢复以及主从复制（Replication）环境的建立。

重做日志和二进制日志的区别是：
首先，重做日志是在InnoDB存储引擎层产生，而二进制日志是在MySQL数据库上层产生的，并且二进制日志不仅仅针对于InnoDB存储引擎，MySQL数据库中任何存储引擎对于数据库的更改都会产生二进制日志。
其次，两种日志记录的内容形式不同。MySQL数据库上层的二进制日志是一种逻辑日志，其记录的是对应SQL语句。而InnoDB存储引擎层面的重做日志是物理格式日志，其记录的是对于每个页的修改。
此外，两种日志记录写入磁盘的时间点不同，如图7-6所示。二进制日志只在事务提交完成后进行一次写入。而InnoDB存储引擎的重做日志在事务进行中不断地被写入，这表现为日志并不是随事务提交的顺序进行写入的

2. log block
在InnoDB存储引擎中，重做日志都是以512字节进行存储的。这意味着重做日志缓冲，重做日志文件都是以块（block）的方式进行保存的，称之为重做日志块（redo log block），每块都是512字节。
若一个页中产生的重做日志数量大于512字节，那么需要分隔为多个重做日志块进行存储。此外，由于重做日志块的大小和磁盘扇区块大小一样，都是512字节，因此重做日志的写入可以保证原子性，不需要double write技术。

3.log group
log group为重做日志租，其中有多个重做日志文件。log group是一个逻辑上的概念，并没有一个实际存储的物理文件来表示log group 信息。log group由多个重做日志文件组成，每个log group中日志文件的大小是相同的。重做日志文件中存储的就是之前在log buffer中保存的log block，因此其也是根据块的方式进行物理存储的管理，每个块的大小与log block一样，同样为512字节。在InnoDB存储引擎运行过程中，log buffer根据一定的规则将内存中log block刷新到磁盘。这个规则就是：

• 事务提交时
• 当log buffer中有一半的内存空间已经被使用时
• log checkpoint 时

5. LSN
LSN是Log Sequence Number的缩写，其代表的是日志序列号。在InnoDB存储引擎中，LSN占用8字节，并且单调递增。LSN表示的含义有：

• 重做日志写入的总量
• checkpoint的位置
• 页的版本

LSN表示事务写入重做日志的字节的总量。LSN不仅记录在重做日志中，还存在每个页中。在每个页的头部，有一个值FIL_PAGE_LSN，记录了该页的LSN，在页中，LSN表示该页最后刷新时LSN的大小，因为重做日志记录的是每个页的日志，因此页中的LSN用来判断页是否需要进行恢复操作。例如，页P1的LSN为1000，而数据库启动时，InnoDB检测到写入重做日志中的LSN为1300，并且该事务已经提交，那么数据库需要进行恢复操作，将重做日志应用到P1页中。同样的，对于重做日志中LSN小于P1页的LSN，不需要进行重做，因为P1页的LSN表示页已经刷新到该位置。

6. 恢复
InnoDB存储引擎在启动时不管上次数据库运行时是否正常关闭，都会尝试进行恢复操作。因为重做日志记录的是物理日志，因此恢复的速度比逻辑日志要快得多。由于checkpoint表示已经刷新到磁盘上的LSN，因此在恢复过程中仅需恢复checkpoint开始的日志部分。

7.2.2 undo

1.基本概念
事务有时候需要进行回滚操作，这是就需要undo。因此在对数据库进行修改时，InnoDB存储引擎不但会产生redo，还会产生一定量的undo。这样如果用户执行的事务或者语句由于某种因为失败了，又或者用一条rollback语句请求回滚，就可以利用这些undo信息将数据回滚到修改之前的样子。
redo存放在重做日志文件中，与redo不同，undo存放在数据库内部的一个特殊段（segement）中，这个段称为undo段（undo segement）。undo段位于共享表空间内。undo是逻辑日志，因此只是将数据库逻辑地恢复到原来的样子。所有修改都被逻辑地取消了，但是数据结构和页本身在回滚之后可能大不相同。
InnoDB存储引擎回滚时，它实际上做的是与先前相反的工作。对于每个insert，innodb存储引擎会执行一个delete；对于每一个delete，innodb存储引擎会执行一个insert；对于每一个update，innodb存储引擎会执行一个相反的update，将修改前的行放回去。
除了回滚操作，undo的另一个作用是MVCC，即在InnoDB存储引擎中MVCC的实现是通过undo来完成的。当用户读取一行记录时，若该行记录已经被其他事务占用了，当前事务可以通过undo读取之前的行版本信息，以此来实现非锁定读。
undo log会产生redo log，也就是undo log的产生会伴随redo log的产生，这是因为undo log也需要持久性的保护。

2. undo存储管理
InnoDB存储引擎对undo的管理同样采用段的方式。但是这个段和之前介绍的端有所不同。首先InnoDB存储引擎有rollback segement，每个回滚段中记录了1024个undo log segement，而在每个undo log segement段中进行段的申请。
事务在undo log segement分配页并写入undo log的这个过程同样需要写入重做日志。当事务提交时，InnoDB存储引擎会做以下两件事情：

• 将undo log放入列表中，以供之后的purge操作
• 判断undo log所在的页是否可以重用，若可以分配给下个事务使用。

事务提交后并不能马上删除undo log及undo log所在的页。这是因为可能还有其他事务需要通过undo log来得到行记录之前的版本。故事务提交时将undo log放入一个链表中，是否可以最终删除undo log及undo log所在页有purge线程来判断。
判断undo log所在页是否可以重用的标准是判断undo页使用的空间是否小于4/3 ，若是则表示该undo 页可以被重用，之后新的undo log记录在当前undo log的后面。

3. undo log格式
在InnoDB存储引擎中，undo log分为：

• insert undo log
• update undo log

insert undo log是指在insert操作中产生的undo log，因为insert操作的记录，只对事务本身可见，对其他事务不可见（事务隔离性的要求），故该undo log可以在事务提交后直接删除。不需要进行purge操作。
update undo log记录的是对delete和update操作产生的undo log。该undo log可能需要提供MVCC机制，因此不能在事务提交时就进行删除。提交时放入undo log链表，等待purge线程进行最后的删除。

delete操作并不直接删除记录，而只是将记录标记为已删除，也就是将记录的delete flag 设置为 1 。而记录最终的删除是在purge操作中完成的。
update主键的操作其实分两步完成。首先将原主键记录标为已删除，之后再插入一条新的记录。

7.2.3 purge
delete和update操作可能并不直接删除原有的数据。例如对于delete from t where a = 1;，表 t 上列 a 有聚集索引，列 b 上有辅助索引。对于上述delete操作，仅是将主键列等于1的记录delete flag 设置为 1，记录并没有被删除，即记录还是存在于B+树中。其次，对于辅助索引上 a 等于 1，b等于 1 的记录同样没有做任何处理，甚至没有产生undo log。而真正删除这行记录的操作其实被 "延时" 了，最终在purge操作中完成。

**7.2.4 group commit **
为了提供 fsync 的效率，当前数据库都提供了 group commit 的功能，即一次fsync可以刷新确保多个事务日志被写入文件。对于InnoDB存储引擎来说，事务提交时会进行两个阶段的操作：
1）修改内存中事务对应的信息，并且将日志写入重做日志缓冲。
2）调用fsync将确保日志都从重做日志缓冲写入磁盘。
步骤 2）相对步骤 1）是一个较慢的过程，这是因为存储引擎需要与磁盘打交道。当有事务进行这个过程时，其他事务可以进行步骤 1）的操作，正在提交的事务完成提交操作后，再次进行步骤 2），可以将多个事务的重做日志通过一次fsync刷新到磁盘，这样就大大地减少了磁盘的压力，从而提高了数据库的整体性能。对于写入或者更新较为频繁的操作，group commit的效果尤为明显。

7.3 事务控制语句
在MySQL命令行的默认设置下，事务都是自动提交（auto commit）的，即执行SQL语句后就会马上执行commit操作。因此要显示地开启一个事务需要使用命令BEGIN，START TRANSACTION，或者执行命令 SET AUTOCOMMIT = 0，禁用当前会话的自动提交。
事务控制语句：

• start transaction|begin：显式的开启一个事务。
• commit：提交事务
• rollback：回滚事务，并撤销正在进行的所有未提交的修改。
• savepoint indentifier：在事务中创建一个保存点
• release savepoint identifier：删除一个事务的保存点
• rollback to identifier：回滚到某个保存点
• set transaction：用来设置事务的隔离级别

在存储过程总只能使用 start transaction 语句来开启一个事务
commit和commit work基于基本上是一致的，都是用来提交事务。不同之处在于commit work用来控制事务结束之后的行为是chain还是release的。如果是chain方式，那么事务就变成了链事务。
可以通过参数completion_type来进行控制，该参数默认为0，表示没有任何操作，在这种设置下commit和commit work是完全等价的。当该参数值为1时，commit work等同于commit and chain，表示马上自动开启一个相同隔离级别的事务。当该参数值为2时，commit work等同于commit and release。在事务提交之后会自动断开与服务器的连接。

** 7.4 隐式提交的SQL语句 **
以下这些SQL语句会产生一个隐式的提交操作，即执行完这些语句之后，会有一个隐式的commit操作。
DDL语句：alter database...upgrade data directory name，alter event，alter procedure，alter table，alter view，create database，create event，create index，create procedure，create table，create trigger，create view，drop database，drop event，drop index，drop procedure，drop table，drop trigger，drop view，pename table，truncate table。

用来隐式地修改MySQL架构的操作：create user，drop user，grant，rename user，revoke，set password

管理语句：analyze table，cache index，check table，load index into cache，optimize table，repair table。

此外，truncate table语句是DDL语句，虽然和对整张表执行delete的结果是一样的，但它是不能回滚的。