詳解MySQL事務原理

• 老劉是即将找工作的研究所學生，自學大資料開發，一路走來，感慨頗深，網上大資料的資料良莠不齊，于是想寫一份詳細的大資料開發指南。這份指南把大資料的【基礎知識】【架構分析】【源碼了解】都用自己的話描述出來，讓夥伴自學從此不求人。
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今天給大家分享的是大資料開發基礎部分MySQL的事務，事務在MySQL知識點中非常重要的部分，很多夥伴隻是知道MySQL的四大特性，但不知道其中的原理，老劉這次給大家詳細的描述MySQL四大特性的原理，MySQL事務篇的大綱如下：

什麼是事務？

在MySQL中的事務是由存儲引擎實作的，而且支援事務的存儲引擎不多，我們主要講解InnoDB存儲引擎中的事務。

事務處理可以用來維護資料庫的完整性，保證成批的 SQL 語句要麼全部執行，要麼全部不執行。

事務用來管理 DDL、DML、DCL 操作，比如 insert,update,delete 語句，預設是自動送出的。

事務的四大特性（ACID）

1. Atomicity（原子性）：構成事務的的所有操作必須是一個邏輯單元，要麼全部成功，要麼全部失敗。
2. Consistency（一緻性）：資料庫在事務執行前後狀态都必須是穩定的或者是一緻的，就是說事務開始和結束後，資料庫的完整性不會被破壞。
3. Isolation（隔離性）：事務之間不會互相影響。由鎖機制和MVCC機制來實作的，其中MVCC(多版本并發控制)：優化讀寫性能（讀不加鎖、讀寫不沖突），四種隔離級别為RU（讀未送出）、RC（讀已送出）、RR（可重複讀）、SERIALIZABLE （串行化）。
4. Durability（持久性）：事務執行成功後必須全部寫入磁盤，事務送出後，對資料的修改是永久性的，即使系統故障也不會丢失。

事務的使用

begin或start transaction：開啟一個事務；

commit：送出一個事務，并使已對資料庫進行的所有修改稱為永久性的；

rollback：復原會結束使用者的事務，并撤銷正在進行的所有未送出的修改。

ACID實作原理

下面我們就來詳細講解一下上述示例涉及的事務的ACID特性的具體實作原理。總結來說，事務的隔離性由多版本控制機制和鎖實作，而原子性、一緻性和持久性通過InnoDB的redo log、undo log和ForceLog at Commit機制來實作。

重做日志Redo Log

如果要存儲資料則先存儲資料的日志，一旦記憶體崩了，則可以從日志找重做日志保證了資料的可靠性，InnoDB采用了Write Ahead Log（預寫日志）政策，即當事務送出時，先寫重做日志，然後再擇時将髒頁寫入磁盤。如果發生當機導緻資料丢失，就通過重做日志進行資料恢複。

復原日志Undo Log

資料庫崩潰重新開機後需要從redo log中把未落盤的髒頁資料恢複出來，重新寫入磁盤，保證使用者的資料不丢失。當然，在崩潰恢複中還需要復原沒有送出的事務。由于復原操作需要undo日志的支援，undo日志的完整性和可靠性需要redo日志來保證，是以崩潰恢複先做redo恢複資料，然後做undo復原。

是以，在事務執行的過程中，除了記錄redo log，還會記錄一定量的undo log。undo log記錄了資料在每個操作前的狀态，如果事務執行過程中需要復原，就可以根據undo log進行復原操作。

Force Log at Commit機制

它實作事務的持久性，即當事務送出時，必須先将該事務的所有日志寫入到重做日志檔案進行持久化，然後事務的送出操作完成才算完成。為了確定每次日志都寫入到重做日志檔案，在每次将重做日志緩沖寫入重做日志後，必須調用一次fsync操作（作業系統），将緩沖檔案從檔案系統緩存中真正寫入磁盤。

總結一下就是redo log用于在崩潰時恢複資料，undo log用于對事務的影響進行撤銷，也可以用于多版本控制。而Force Log at Commit機制保證事務送出後redo log日志都已經持久化。

原子性

原子性是指一個事務是一個不可分割的工作機關，其中的操作要麼都做，要麼都不做。例如銀行轉賬要麼成功，要麼失敗，是不存在中間的狀态！

Undo Log是實作原子性的關鍵，靠的就是undo log。當事務對資料庫進行修改時，InnoDB會生成對應的undo log。undo log它屬于邏輯日志，它記錄的是sql執行相關的資訊。當發生復原時，InnoDB會根據undo log的内容做與之前相反的工作：對于每個insert，復原時會執行delete；對于每個delete，復原時會執行insert；對于每個update，復原時會執行一個相反的update，把資料改回去。

以update操作為例：當事務執行 update 時，其生成的 undo log 中會包含被修改行的主鍵(以便知道修改了哪些行)、修改了哪些列、這些列在修改前後的值等資訊，復原時便可以使用這些資訊将資料還原到 update 之前的狀态。

持久性

持久性是指事務執行成功後必須全部寫入磁盤，事務送出後，對資料的修改是永久性的，即使系統故障也不會丢失。

InnoDB作為MySQL的存儲引擎，資料是存放在磁盤中的，但如果每次讀寫資料都需要磁盤IO，效率會很低。為此，InnoDB提供了緩存(Buffer Pool)，Buffer Pool中包含了磁盤中部分資料頁的映射，作為通路資料庫的緩沖：當從資料庫讀取資料時，會首先從Buffer Pool中讀取，如果Buffer Pool中沒有，則從磁盤讀取後放入Buffer Pool；當向資料庫寫入資料時，會首先寫入Buffer Pool，Buffer Pool中修改的資料會定期重新整理到磁盤中。

雖然Buffer Pool的使用大大提高了讀寫資料的效率，但是也有别的問題，當MySQL當機，而此時Buffer Pool中修改的資料還沒有重新整理到磁盤，就會導緻資料的丢失，事務的持久性無法保證。

于是，優秀的程式員們引入了redo log，當我們對資料進行修改時，除了修改Buffer Pool中的資料，還會在redo log中記錄這次操作。當事務送出時，會調用fsync接口對redo log進行刷盤。如果MySQL當機，重新開機時可以讀取redo log中的資料，對資料庫進行恢複。

還有一點必須知道就是redo log采用的是WAL政策，所有修改先寫入日志，再更新到Buffer Pool，保證了資料不會因MySQL當機而丢失，進而滿足了持久性要求。

隔離性

在MySQL隔離性中，一般有兩種情況：

1. 要求同一時刻隻能有一個事務對資料進行寫操作，InnoDB通過鎖機制來保證這一點。
2. 在進行讀操作的時候，可能出現髒讀、不可重複讀、幻讀的問題。

首先講第一種情況，MySQL要求同一時刻隻能有一個事務對資料進行寫操作，InnoDB通過鎖機制來保證這一點。

鎖機制的基本原理可以了解為：事務在修改資料之前，需要先獲得相應的鎖；獲得鎖之後，事務便可以修改資料；該事務操作期間，這部分資料是鎖定的，其他事務如果需要修改資料，需要等待目前事務送出或復原後釋放鎖。

至于鎖機制中的鎖，一般就是之前講到的MySQL鎖，大家可以去看看這篇MySQL鎖的内容。

接着講第二種情況，讀操作可能出現髒讀、不可重複讀、幻讀的問題。

隔離性追求的是并發情形下事務之間互不幹擾，但是在事務的并發操作中可能會出現一些問題：

1. 丢失更新：兩個事務針對同一資料都發生修改操作時，會存在丢失更新問題。
2. 髒讀：對于兩個事務 T1，T2，T1 讀取了已經被 T2 更新但還沒有被送出的字段。之後，若 T2 復原，T1讀取的内容就是臨時且無效的。
3. 不可重複讀：對于兩個事務T1，T2，T1 讀取了一個字段，然後 T2 更新了該字段。之後，T1再次讀取同一個字段，發現字段的内容不一樣。要求，多次讀取資料的時候，在一個事務中讀出的都應該是一樣的。一般是由于 update 操作引發，是以将來執行的時候要特别注意。
4. 幻讀：對于兩個事務T1，T2，T1 從一個表中讀取了一個字段，然後 T2 在該表中插入了一些新的行。之後。如果 T1 再次讀取同一個表，就會多出幾行。就是發現資料的數量不一樣。要求，在一個事務中多次去讀取資料的時候都應該是一樣的。

雖然有上述這些問題，但MySQL資料庫為我們提供的四種隔離級别（由低到高）：

1. Read uncommitted (讀未送出)：最低級别，任何情況都無法保證。
2. Read committed (RC，讀已送出)：可避免髒讀的發生。
3. Repeatable read (RR，可重複讀)：可避免髒讀、不可重複讀的發生。(InnoDB預設級别為RR，它可以解決幻讀，主要原因是Next-Key（Gap）鎖，隻有RR才能使用Next-Key鎖)
4. Serializable (串行化)：可避免髒讀、不可重複讀、幻讀的發生。

解決髒讀、不可重複讀、幻讀的問題使用的是MVCC，即多版本的并發控制協定。它說的就是在同一時刻，不同的事務讀取到的資料可能是不同的(即多版本)。

MVCC最大的優點是讀不加鎖，是以讀寫不沖突，并發性能好。InnoDB實作MVCC，多個版本的資料可以共存，主要是依靠資料的隐藏列( 也可以稱之為标記位 )和undo log。其中資料的隐藏列包括了該行資料的版本号、删除時間、指向undo log的指針等等；當讀取資料時，MySQL可以通過隐藏列判斷是否需要復原并找到復原需要的undo log，進而實作MVCC。

MVCC如何解決髒讀、不可重複讀、幻讀的問題

1、MVCC解決髒讀

當事務T1在第三個時刻讀取自己的餘額時，會發現資料已被T2事務修改，并且T2的狀态還沒有送出。此時事務A讀取最新資料後，根據資料的undo log執行復原操作，得到事務T2修改前的資料，進而避免了髒讀。

2、MVCC解決不可重複讀

當事務T1在第二個時刻第一次讀取資料時，會記錄該資料的版本号（資料的版本号是以row為機關記錄的），假設版本号為1；當事務T2對自己的餘額進行修改并且送出時，該行記錄的版本号增加，假設版本号為2；當事務T1在第五個時刻再一次讀取資料時，發現資料的版本号2大于第一次讀取時記錄的版本号1，是以會根據undo log執行復原操作，得到版本号為1時的資料，進而實作了可重複讀。

3、MVCC解決幻讀

InnoDB實作的RR通過next-key lock機制避免了幻讀現象。

next-key lock是行鎖的一種，實作相當于record lock(記錄鎖) + gap lock(間隙鎖)，它的特點是不僅會鎖住記錄本身(record lock的功能)，還會鎖定一個範圍(gap lock的功能)。

當事務T1在第二個時刻第一次讀取0<id<5資料時，會進行标記，标記内容包括資料的版本号等，并且标記的不隻是id=1的資料，還将範圍(0,5)進行了标記。我們接着在第三個時刻插入新的使用者并且送出事務，最後第五個時刻再次讀取0<id<5資料時，便可以發現id=2的資料比之前标記的版本号更高，此時再結合undo log執行復原操作，避免了幻讀。

稍微總結下，InnoDB通過鎖機制、資料的隐藏列、undo log和類next-key lock，實作了一定程度的隔離性，可以滿足大多數場景的需要。不過需要說明的是，RR雖然避免了幻讀問題，但是畢竟不是Serializable，不能保證完全的隔離。

一緻性

一緻性是事物追求的最終目标，前面提到的原子性，隔離性，持久性都是為了保證資料庫的一緻性。也就是說ACID四大特性之中，C(一緻性)是目的，A(原子性)、I(隔離性)、D(持久性)是手段，是為了保證一緻性，資料庫提供的手段。資料庫必須要實作AID三大特性，才有可能實作一緻性。

總結

本文作為大資料開發指南MySQL的第四篇詳細介紹了MySQL事務的内容，尤其是MySQL四大特性的原理。希望大家能夠跟着老劉的文章，好好捋捋思路，争取能夠用自己的話把這些知識點講述出來！

盡管目前水準可能不及各位大佬，但老劉會努力變得更加優秀，讓各位小夥伴自學從此不求人！

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