数据库事务的实现原理

青旅半醒 2021-11-05 13:22 384阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  认识事务
 *   *   *  事务的ACID特性
         *  事务的分类
         *   *   *  (1) 扁平事务
                 *  (2) 带有保存点的扁平事务
                 *  (3) 链事务
                 *  (4)嵌套事务
                 *  (5) 分布式事务
 *  一：Mysql InnoDB
 *   *   *  InnoDB的锁
         *   *   *  lock 和 latch
                 *  锁的分类
                 *  什么是意向锁？
                 *  一致性非锁定读（如果有锁，是如何读取数据的？）
                 *  一致性锁定读
                 *  自增长与锁（为什么在创建表的时候要加上主键？而且还是auto\_increatment）
                 *  外键与锁
                 *  锁的算法（这个玩意儿还得要就一下有什么卵用）
                 *  死锁的解决
                 *  锁升级
         *  事务的特性-隔离性之隔离级别
         *   *   *  (1) READ UNCOMITTED (未提交读)
                 *  (2) READ COMMITTED (提交读)
                 *  (3) REPEATABLE READ (可重复读)
                 *  (4) SERIALIZABLE (可串行化)
         *  MVCC :多版本并发控制（依据高性能而来，可能与现在的实现不同，但是原理是一样的）
 *  Mysql 是如何实现事务的
 *  Redis
 *   *   *  事务的实现
         *  Redis 如何确保一致性？----出错处理
         *  隔离性：单线程+不间断执行。
         *  持久性：由持久化模式决定。
 *  OceanBase

# 认识事务 #

事务就是**一组原子性的SQL查询，或者说是一个独立的工作单元**。如果数据库引擎能够成功地对数据库应用该组查询的全部语句，那么就执行该组查询。如果其中有任何一条语句因为崩溃或其他原因无法执行，那么所有的语句都不会执行。也就是说，**事务内的语句，要么全部执行成功，要么全部执行失败。**

### 事务的ACID特性 ###

银行应用是解释事务的一个经典例子。假设一个银行的数据库有两张表:支票(checking)表和储蕃(savings) 表。现在要从用户Jane的支票账户转移200美元到她的储著账户，那么需要至少三个步骤:

1.  检查支票账户的余额高于200美元。
2.  从支票账户余额中减去200美元。
3.  在储著账 户余额中增加200美元。

![在这里插入图片描述][20190807091742109.png]

事务都是具有ACID特性的。具体如下：  
（InnoDB引擎能够完全符合ACID的特性。）

*  原子性(atomicity)

一个事务必须被视为一个不可分割的最小工作单元，整个事务中的所有操作要么全部提交成功，要么全部失败回滚，对于一个事务来说，不可能只执行其中的一部分操作，这就是事务的原子性。

*  一致性(consistency)

数据库总是从一个-致性的状态转换到另外一个一致性的状态。在前面的例子中，一致性确保了，即使在执行第三、四条语句之间时系统崩溃，支票账户中也不会损失200美元，因为事务最终没有提交,所以事务中所做的修改也不会保存到数据库中。

*  隔离性(isolation) ，别称并发控制，可串行化，锁等

**通常来说，一个事务所做的修改在最终提交以前，对其他事务是不可见的**。在前面的例子中，当执行完第三条语句、第四条语句还未开始时，此时有另外一个账户汇总程序开始运行，则其看到的支票账户的余额并没有被减去200美元。后面我们讨论隔离级别(Isolation level)的时候,会发现为什么我们要说“通常来说”是不可见的。

*  持久性(durability)

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。需要注意的是，**只能从事务本身的角度来保证结果的永久性。例如，在事务提交后，所有的变化都是永久的。即使当数据库因为崩溃而需要恢复时，也能保证恢复后提交的数据都不会丢失**。但若不是数据库本身发生故障,而是- -些外部的原因，如RAID卡损坏、自然灾害等原因导致数据库发生问题，那么所有提交的数据可能都会丢失。**因此持久性保证事务系统的高可靠性(High Reliability),而不是高可用性(High Availabiliy)**。对于高可用性的实现，事务本身并不能保证，需要-些系统共同配合来完成。

### 事务的分类 ###

*  扁平事务
 *  带有保存点的扁平事务
 *  链事务
 *  嵌套事务
 *  分布式事务

##### (1) 扁平事务 #####

其实就是简单的事务模型，由start开始，commit结束。如下所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
如果中间带有很多的SQL请求，但是只有最后一个失败，那么就需要全部回滚。代价非常大。

这时可能的情况就是也许我们**只回滚到倒数第二个请求，然后重试最后一个就能够成功了**。但是扁平事务不支持部分回滚。

##### (2) 带有保存点的扁平事务 #####

解决了上面提到的那种窘境。带有了保存点以支持回滚部分，而不是全部。

##### (3) 链事务 #####

保存点模式的一种变种。带有保存点的扁平事务，当发生系统崩溃时，所有的保存点都将消失，因为其保存点是易失的(volatile),而非持久的(persistent). 这意味着当进行恢复时，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- -个事务操作将合并为一个原子操作。这意味着下一个事务将看到上一个事务的结果，就好像在一个事务中进行的一样：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
与带有保存点的扁平事务不同的是，链事务只能回滚到上一个点。对于锁也是在执行commit后就释放了当前事务所持有的锁。

##### (4)嵌套事务 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
InnoDB使用带有保存点的扁平事务来模拟实现。但是会不支持并行性。

##### (5) 分布式事务 #####

就是一个在分布式环境下的扁平事务。

**Mysql的隔离性一般是通过锁来实现。那么我们先来介绍一下锁，然后来讨论隔离性的几个级别。**

开发多用户、数据库驱动的应用时，最大的一个难点是:`一方面要最大程度地利用数据库的并发访问，另外一方面还要确保每个用户能以-致的方式读取和修改数据`。为此就有了锁(locking)的机制，同时这也是数据库系统区别于文件系统的一个关键特性

人们认为行级锁总会增加开销。实际上，`只有当实现本身会增加开销时，行级锁才会增加开销`。`InnoDB 存储引擎不需要锁升级，因为一个锁和多个锁的开销是相同的`。

# 一：Mysql InnoDB #

### InnoDB的锁 ###

*  MyISAM引擎：表锁 。插入会有很大的问题。
 *  SQL Server :页锁，但是在特定场景下会升级。
 *  InnoDB :行锁。几乎没有开销。

##### lock 和 latch #####

*  latch：要求锁定的时间特别短。如果长就会影响性能。没有死锁检测机制
 *  lock：就是锁。commit /rollback时释放。

##### 锁的分类 #####

*  共享锁（S Lock）
 *  排他锁 （X Lock）

都是行锁哦~~

##### 什么是意向锁？ #####

意向锁意味着事务希望在更细粒度(ine granularity).上进行加锁。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
若将上锁的对象看成-棵树，那么对最下层的对象上锁，也就是对最细粒度的对象进行上锁，那么首先需要对粗粒度的对象上锁。例如图6-3,如果需要对页上的记录r进行上X锁，那么分别需要对数据库A、表、页上意向锁IX，最后对记录r上X锁。若其中任何一个部分导致等待，那么该操作需要等待粗粒度锁的完成  
。

举例来说，在对记录r加X锁之前，已经有事务对表1进行了S表锁，那么表1上已存在S锁，之后事务需要对记录r在表1.上加上Ix，由于不兼容，所以该事务需要等待表锁操作的完成。

其实意向锁就是表级别的锁，只要有两种：

*  1)意向共享锁(IS Lock),事务想要获得-一张表中某几行的共享锁
 *  2)意向排他锁(IX Lock),事务想要获得一张表中某几行的排他锁

##### 一致性非锁定读（如果有锁，是如何读取数据的？） #####

一致性的非锁定读(consistent nonlocking read)是指InnoDB存储引擎通过行多版本控制(multi versioning)的方式来读取当前执行时间数据库中 SQLQuery行的数据如果读取的行正在执行DELETE或UPDATE操作，这时读取操作不会因此去等待行上锁的释放。相反地，**InnoDB 存储引擎会去读取行的一个快照数据。快照数据就是当前行的某个历史版本，具体读取哪个版本还需要看具体是那个隔的级别。**

##### 一致性锁定读 #####

对读加S 锁。

##### 自增长与锁（为什么在创建表的时候要加上主键？而且还是auto\_increatment） #####

在InnoDB存储引擎的内存结构中，对每个含有自增长值的表都有- -个自增长计数器(auto-increment counter)。当对含有自增长的计数器的表进行插人操作时，这个计数器会被初始化，执行如下的语句来得到计数器的值:

`SELECT MAX(auto_ inc_ col) PROM t FOR UPDATE:`

插人操作会依据这个自增长的计数器值加1赋予自增长列。这个实现方式称做`AUTO-INC Locking.这种锁其实是采用- -种特殊的表锁机制`，为了提高插入的性能，锁不是在-个事务完成后才释放，而是在**完成对自增长值插入的SQL语句后立即释放**。

因为是表锁，那么自然并发性就会收到影响。

##### 外键与锁 #####

在InnoDB存储引擎中，对于一个外键列，如果没有显式地对这个列加索引，InnoDB 存储引擎自动对其加一个索引，因为这样可以避免表锁

对于外键值的插入或更新，首先需要查询父表中的记录，即SELECT父表。但是`对于父表的SELECT操作，不是使用一致性非锁定读的方式，因为这样会发生数据不-致的问题`，因此这时使用的是SELECT-LOCK IN SHARE MODE方式，即主动对父表加一个S锁。如果这时父表上已经这样加X锁，子表上的操作会被阻塞。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
在上述的例子中，两个会话中的事务都没有进行COMMIT或ROLLBAGK操作，而会话B的操作会被阻塞.这是因为id为3的父表在会话A中已经加了一个X锁，而.此时在会话B中用户又需要对父表中id为3的行加-一个s锁，这时INSERT的操作会被阻塞。设想如果访问父表时，`使用的是-致性的非锁定读，这时Session B会读到父表有id=3的记录，可以进行插人操作。但是如果会话A对事务提交了，则父表中就不存在id为3的记录。数据在父、子表就会存在不-致的情况。`

##### 锁的算法（这个玩意儿还得要就一下有什么卵用） #####

*  Record Lock ：单个行记录上的锁
 *  Gap Lock：间隙锁，锁定一个范围，但不包含记录本身
 *  Next-Key Lock：Record Lock + Gap Lock，锁定一个范围，并且锁定记录本身。

##### 死锁的解决 #####

*  超时机制
 *  等待图：其实很简单，就是下面的这样 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
    复杂一点就是：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
    死锁的检测：通过锁管理器->(检测)->等待图

超时解除，尽量`回滚执有最少行级锁的事务`

##### 锁升级 #####

行锁->页锁->表锁的过程。

### 事务的特性-隔离性之隔离级别 ###

在SQL的标准中定义了四种隔离级别。每一个级别都规定了一个事务中所做的修改，哪些在事务内和事务间是可见的，哪些是不可见的。当然，较低的隔离级别就会支持更高的并发。系统开销也会更低。

具体如下：

*  READ UNCOMITTED (未提交读)
 *  READ COMMITTED (提交读)
 *  REPEATABLE READ (可重复读)
 *  SERIALIZABLE (可串行化)

##### (1) READ UNCOMITTED (未提交读) #####

`其他事务会读取到本事务没有提交的数据。` 这种现象也称之为脏读。会导致很多问题，性能也不是特别高。除非真的有非常必要的理由，在实际应用中一般很少使用。

##### (2) READ COMMITTED (提交读) #####

`就是能够读取到其他事务已经提交了的数据。`(Mysql默认不是这个，为啥我觉得这个是最合理的呐??）这个级别有时候也叫做`不可重复读(nonrepeatableread)`，因为两次执行同样的查询，可能会得到不一样的结果。（就是函数可能会变得不幂等）

举例：A查询数据库得到数据，B去修改数据库的数据，导致A多次查询数据库的结果都不一样【危害：A每次查询的结果都是受B的影响的，那么A查询出来的信息就没有意思了】

##### (3) REPEATABLE READ (可重复读) #####

Mysql InnoDB引擎默认级别！该级别保证了在同一个事务中多次读取同样记录的结果是一致的。但是又无法解决幻读的问题：

*  幻读：指的是当某个事务在读取某个范围内的记录时，另外一个事务又在该范围内插入了新的记录，当之前的事务再次读取该范围的记录时，会产生幻行(Phantom Row)，也就是会多出来几行数据。
 *  幻读与不可重复读的区别：`幻读是只读一次，不可重复读是多次`。

InnoDB和XtraDB存储引擎通过多版本并发控制(**MVCC**, Multiversion Concurrency Control)解决了幻读的问题

##### (4) SERIALIZABLE (可串行化) #####

SERIALIZABLE是最高的隔离级别。它通过强**制事务串行执行，避免了前面说的幻读的问题**。简单来说，**SERIALIZABLE 会在读取的每- -行数据上都加锁，所以可能导致大量的超时和锁争用的问题**。实际应用中也很少用到这个隔离级别，只有在非常需要确保数据的- -致性而且可以接受没有并发的情况下，才考虑采用该级别。

前面提到了MVCC，OK，那么什么是MVCC呐？它又是怎样解决幻读的呐？

### MVCC :多版本并发控制（依据高性能而来，可能与现在的实现不同，但是原理是一样的） ###

InnoDB为数据库中存储的每一行添加两个字段。分别是：`行的创建时间，行的过期时间(或删除时间)。但是他们不表示时间的概念，而是事务ID`。每开始一一个新的事务，整个系统的版本号都会自动递增。下面看一下在 REPEATABLE READ 隔离级别下，MVCC具体是如何操作的。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
MVCC只在REPEATABLE READ 和READ COMITTED 两个隔离级别下工作。其他两个隔离级别都和MVCC不兼容生,

因为READ UNCOMITTED总是读取最新的数据行，而不是符合当前事务版本的数据行。而SERIALIZABLE则会对所有读取的行都加锁。

由此可见，它是能够解决幻读这个问题的。

# Mysql 是如何实现事务的 #

原子性、一致性、 持久性通过数据库的 redolog 和 undolog来完成。redolog称为重做日志，用来保证事务的原子性和持久性。undolog用来保证事务的一致性。

tmd感觉越学越多啊。搞不动了，下来再整一下。

# Redis #

Redis 事务的执行流程由MULTI开始，由EXEC命令结束。我们一点一点来看：

### 事务的实现 ###

将命令放入队列---->> 不间断执行事务。

具体一点的数据结构：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2xpdXNoZW5neGlfcm9vdA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
`Redis不支持事务回滚`。如果出现命令错误，他也只是继续执行。原因：（1）与主旨不符。 (2)编程错误产生的呢

### Redis 如何确保一致性？----出错处理 ###

*  入队错误：拒绝执行。
 *  执行错误：出错的命令不会被执行。
 *  服务器停机：持久化，若没有就空白。

### 隔离性：单线程+不间断执行。 ###

### 持久性：由持久化模式决定。 ###

![在这里插入图片描述][20190807215052533.png]

# OceanBase #

有时间再来写吧。

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