定義

DBMS 提供了事務(wù)（Transactions）支持谣旁。事務(wù)是作為 DBMS 中的邏輯單元分組執(zhí)行的一系列數(shù)據(jù)庫(kù)操作蛮穿。與在DBMS之外執(zhí)行程序（例如祟绊，C程序）在許多方面都不同甚牲！

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數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用程序通常通過事務(wù)而不是單個(gè)操作訪問數(shù)據(jù)庫(kù)镶苞。例如，大型數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)百個(gè)并發(fā)用戶：銀行迂尝、超市收銀臺(tái)脱茉、機(jī)票預(yù)訂、在線購(gòu)買等垄开。
之所以使用事務(wù)是因?yàn)樗鼈兛梢栽谝韵虑闆r下實(shí)施數(shù)據(jù)完整性：多個(gè)用戶可以同時(shí)修改和共享數(shù)據(jù)琴许；事務(wù)、系統(tǒng)和媒體故障可能不時(shí)發(fā)生溉躲。

• 從高級(jí)語(yǔ)言的角度（如 SQL）
  • 插入（INSERT）榜田、選擇（SELECT）、更新（UPDATE）锻梳、刪除（DELETE）
  • 開始（BEGIN）箭券、提交（COMMIT）、中止（ABORT）/ 回滾（ROLLBACK）等;

BEGIN TRANSACTION
SELECT balance FROM Account WHERE name = `Steve';
UPDATE Account
    SET balance = balance-500 WHERE name=`Steve';
SELECT balance FROM Account WHERE name = `Bob';
UPDATE Account
    SET balance = balance+500 WHERE name = `Bob';
COMMIT

• 內(nèi)部進(jìn)程級(jí)別：操作對(duì)象為數(shù)據(jù)表唱蒸、行邦鲫、單元或者內(nèi)存頁(yè)。
  • 讀（read）神汹、寫（write）
  • 開始（begin）庆捺、提交（commit）
  • 中止（abort）：表示事務(wù)未成功結(jié)束，撤消事務(wù)的所有操作

其中屁魏，A 是 Steve 的賬戶余額滔以；B 是 Bob 的賬戶余額。

ACID 屬性

DBMS 確保了事務(wù)的以下屬性：

• 原子性（Atomicity）
  • 每個(gè)事務(wù)的執(zhí)行都是原子性的氓拼，即要么所有的操作都完成了（ALL）你画，要么根本沒有完成（NONE）。
  • 如果一個(gè)事務(wù)因?yàn)槟承┰蚨荒芡瓿商已敲?DBMS 必須消除部分事務(wù)的影響坏匪，以確保原子性。
• 一致性（Consistency）
  • 數(shù)據(jù)庫(kù)的狀態(tài)在每個(gè)事務(wù)之前和之后是一致的撬统。
  • 中間狀態(tài)可能是不一致的适滓。
• 隔離（Isolation）
  • 每個(gè)事務(wù)的執(zhí)行結(jié)果應(yīng)該不受其他并發(fā)執(zhí)行事務(wù)的影響。
  • 其他事務(wù)不會(huì)看到目前事務(wù)下所有對(duì)象的信息恋追，直至該事務(wù)完成凭迹。
• 耐用性（Dutability）
  ??????? - 一旦事務(wù)成功完成，它的效果應(yīng)該會(huì)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中苦囱。
  • 一旦提交嗅绸，事務(wù)就不能恢復(fù)為 abort，這種改變是持久的撕彤。

需要注意的是鱼鸠，這些屬性不是相互獨(dú)立的，但原子性是中心屬性。

一致性（Consistency）由應(yīng)用開發(fā)者實(shí)現(xiàn)蚀狰，因?yàn)檫@要求開發(fā)者理解應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)模型漆弄，并且確保每個(gè)事務(wù)都以一種與現(xiàn)實(shí)世界中的合法更改相一致的方式更改數(shù)據(jù)。

而其他三種屬性則由事務(wù)管理器實(shí)現(xiàn)造锅，最常用的技術(shù)有兩種：

1. 鎖（Locking）—— 用于并發(fā)控制，如兩階段鎖（2PL：Two-phase Locking）
2. 日志（Logging）—— 用于恢復(fù)廉邑，如預(yù)寫式日志（WAL：Write-Ahead Log）

鎖（Locking）

鎖是一種用于并發(fā)控制的技術(shù)哥蔚，可保證事務(wù)的隔離性。鎖在數(shù)據(jù)庫(kù)中一般作用在對(duì)象上蛛蒙，如文件糙箍、表、記錄牵祟、頁(yè)等深夯。

鎖的用法分成兩類：

• 共享鎖：多個(gè)事務(wù)可以同時(shí)獲取它。
• 互斥鎖：只有一個(gè)事務(wù)可以獲得它诺苹，導(dǎo)致其他試圖獲取它的事務(wù)等待咕晋。持有鎖的事務(wù)完成后，它釋放鎖收奔，允許一個(gè)等待的事務(wù)獲取鎖掌呜。

兩階段鎖（2PL：Two-phase Locking）

鎖的使用和移除分為兩個(gè)階段:

• 展開：獲取鎖，不釋放鎖坪哄。
• 收縮：釋放鎖质蕉，不獲取鎖。

2PL 基本協(xié)議使用兩種類型的鎖:

• 共享鎖（read-lock）：在讀取對(duì)象之前通過事務(wù)與對(duì)象關(guān)聯(lián)翩肌。
• 互斥鎖（write-lock）：在寫對(duì)象之前通過事務(wù)與對(duì)象關(guān)聯(lián)模暗。

當(dāng)讀寫鎖同時(shí)出現(xiàn)在一個(gè)對(duì)象身上的時(shí)候，鎖之間的兼容滿足以下關(guān)系：

缺點(diǎn)：在某些情況下念祭，2PL可以從根本上限制事務(wù)間的交叉
優(yōu)點(diǎn)：2PL使交叉變得安全兑宇，比如保證事務(wù)的可串行性。

可串行化（Serializability）意味著產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)等于以串行方式運(yùn)行事務(wù)的數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)棒卷。
可串行性是并發(fā)事務(wù)的主要正確性標(biāo)準(zhǔn)顾孽。

但是，2PL可能會(huì)出現(xiàn)死鎖比规，即若厚，兩個(gè)或多個(gè)事務(wù)的相互阻塞，比如一下的情況：

如何使用鎖定技術(shù)提高并發(fā)性？

• 細(xì)化鎖類型
  • 區(qū)分讀鎖和寫鎖霎冯。
  • 讀操作通常比寫操作更頻繁铃拇，而且讀同一個(gè)對(duì)象的多個(gè)事務(wù)不會(huì)相互干擾
• 鎖定粒度
  • 數(shù)據(jù)庫(kù) > 表 > 記錄 > 頁(yè)面 > 數(shù)據(jù)庫(kù)表頁(yè)記錄
  • Table-level locks > Record-level locks
• 放松隔離（Isolation）的概念

日志（Logging）

日志是一種用于恢復(fù)的技術(shù)，可保證事務(wù)的原子性和持續(xù)性沈撞。日志是一個(gè)僅追加（append-only）的文件慷荔，它記錄對(duì)對(duì)象的建議更改。當(dāng)多個(gè)事務(wù)并發(fā)運(yùn)行時(shí)缠俺，日志記錄是交錯(cuò)的显晶。

恢復(fù)相當(dāng)于撤銷或重做日志中的更改：

• 撤銷（Undo）尚未提交的操作。
• 重新執(zhí)行（Redo）已提交但尚未寫入磁盤的操作壹士。

原子性（Atomicity）是通過定義當(dāng)且僅當(dāng)日志中記錄了更改時(shí)才提交事務(wù)來實(shí)現(xiàn)的磷雇。
持久性（Durability）是通過在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取日志并確保每個(gè)提交的事務(wù)都在數(shù)據(jù)庫(kù)中應(yīng)用了其更改來實(shí)現(xiàn)的。

預(yù)寫式日志（WAL：Write-Ahead Log）

預(yù)寫式日志（WAL）是最基本的規(guī)則躏救，它確保在嘗試從崩潰中恢復(fù)時(shí)唯笙，數(shù)據(jù)庫(kù)的每個(gè)更改記錄都是可用的。

主要思想：

• 對(duì)對(duì)象的任何更改都首先記錄在日志中盒使，即崩掘，包含該對(duì)象的舊值和新值的記錄。
• 在提交事務(wù)之前少办，必須將日志中的記錄寫入持久存儲(chǔ)呢堰。

因此，提交事務(wù)的定義為：“日志記錄（包括提交記錄）已寫入持久存儲(chǔ)的事務(wù)”凡泣。

對(duì)于一個(gè)日志記錄來說枉疼，其典型的字段為：

• LSN：每一個(gè)日志記錄都有一個(gè)獨(dú)一無二的日志序列碼（Log Sequence Number）
• prevLSN：同一個(gè)事物中上一個(gè)日志記錄的序列碼
• transID
• type：日志內(nèi)容的類型，包括 update鞋拟，commit骂维，abort，end 等等
• 對(duì)于更新的日志記錄贺纲，可能還會(huì)有 pageID航闺，length，offset猴誊，before-image潦刃，after-image

WAL 對(duì)性能的提升體現(xiàn)在：

• 通常會(huì)顯著減少磁盤寫的數(shù)量
• 支持對(duì)日志文件進(jìn)行一次同步，而不是對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行多次同步
• 支持在線備份和時(shí)間點(diǎn)恢復(fù)

并發(fā)事務(wù)（Concurrent Transactions）

交錯(cuò)處理：事務(wù)交錯(cuò)在單個(gè)CPU中懈叹。

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并行處理：事務(wù)在多個(gè)cpu中并行執(zhí)行乖杠。

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使用并發(fā)同時(shí)執(zhí)行事務(wù)將提高數(shù)據(jù)庫(kù)性能，具體包括：

• 增加吞吐量（已完成事務(wù)的平均數(shù)量）
  • 例如澄成，當(dāng)一個(gè)事務(wù)正在等待從磁盤讀取一個(gè)對(duì)象時(shí)胧洒，CPU可以處理另一個(gè)事務(wù)
  • （因?yàn)?I/O 活動(dòng)可以與 CPU 活動(dòng)并行執(zhí)行）
• 減少延遲（完成事務(wù)的平均時(shí)間）
  • 例如畏吓，短事務(wù)與長(zhǎng)事務(wù)的交錯(cuò)執(zhí)行通常允許短事務(wù)更快地完成。

但是 DBMS 必須保證事務(wù)的交錯(cuò)不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)的不一致卫漫，也就是說要實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制菲饼。

并發(fā)控制的實(shí)現(xiàn)主要是為了要防止以下的問題：

• 丟失更新問題（The lost update problem）
  • 寫入沖突（write-write conflicts）
  • 當(dāng)兩個(gè)事務(wù)更新同一對(duì)象時(shí)發(fā)生，且一個(gè)事務(wù)可能會(huì)覆蓋已由另一個(gè)事務(wù)更新的對(duì)象的值
• 骯臟讀取問題（The dirty read problem）
  • 寫讀沖突（write-read conflicts）
  • 當(dāng)一個(gè)事務(wù)可以讀取另一個(gè)事務(wù)更新但尚未提交的對(duì)象的值時(shí)發(fā)生
• 不可重復(fù)讀取問題（The unrepeated read problem）
  • 讀寫沖突（read-write conflicts）
  • 一個(gè)事務(wù)可以更改一個(gè)對(duì)象的值列赎，該對(duì)象已被另一個(gè)事務(wù)讀取宏悦，但仍在進(jìn)行中（可以為該對(duì)象發(fā)出兩個(gè)read，或在讀取該對(duì)象后發(fā)出一個(gè)write）
• 幽靈讀取問題（The phantom read problem）
  • 當(dāng)一個(gè)事務(wù) T1 更新的元組滿足另一個(gè)事務(wù)的搜索條件時(shí)發(fā)生包吝，因此通過相同的搜索條件肛根，事務(wù)在不同的時(shí)間獲得不同的結(jié)果。

如果使用串行執(zhí)行事務(wù)的話漏策，就不會(huì)出現(xiàn) 骯臟讀取、不可重復(fù)讀取問題 和 幽靈讀取問題 這幾種情況了臼氨。

未重復(fù)讀取與幽靈讀取的差別

也就是說感耙，對(duì)于由更新（UPDATE）造成的讀取不一致的情況，可以分別通過記錄級(jí)鎖定（record-level lock）和表格級(jí)鎖定（table-level lock）兩種類型的鎖來防止相應(yīng)的問題持隧。

SQL 對(duì)事務(wù)的支持

• SQL標(biāo)準(zhǔn)沒有強(qiáng)制實(shí)施特定的鎖定方案或強(qiáng)制執(zhí)行特定的行為
• 顯式事務(wù)可能沒有 BEGIN TRANSACTION 語(yǔ)句即硼，但必須以 COMMIT 或 ABORT (ROLLBACK) 語(yǔ)句結(jié)束。
• 當(dāng)沒有給出顯式的事務(wù)語(yǔ)句時(shí)屡拨，每個(gè)SQL語(yǔ)句都被認(rèn)為是一個(gè)事務(wù)只酥。
• 為了讓程序員對(duì)事務(wù)開銷有更多的控制，SQL允許他們指定隔離級(jí)別呀狼，即裂允。事務(wù)對(duì)并發(fā)事務(wù)準(zhǔn)備容忍的干擾程度。

核心思想就是哥艇，權(quán)衡性能（更好的并發(fā)訪問）與一致性（數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性）

SQL-92 定義了事務(wù)隔離的4個(gè)級(jí)別：

• 未提交讀（Read Uncommitted）
• 已提交讀（Read Committed）
• 可重復(fù)讀（Repeatable Read）
• 串行（Serializable）

通過以下命令可以指定事務(wù)隔離的級(jí)別：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL serializable;

不同的隔離級(jí)別排除了不同的問題：（限制由弱到強(qiáng)）

更高的隔離級(jí)別減少了用戶可能遇到的并發(fā)問題的類型级解，但是需要更多的系統(tǒng)資源，并且增加了一個(gè)事務(wù)阻塞其他事務(wù)的機(jī)會(huì)田绑。

不同的 DBMS 實(shí)現(xiàn)隔離級(jí)別的方式非常不同勤哗。丟失更新所需的隔離級(jí)別取決于數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。但一般來說掩驱，它可能需要最高的水平序列化來防止它芒划。

較低的隔離級(jí)別增加了許多用戶同時(shí)訪問數(shù)據(jù)的能力，但也增加了用戶可能會(huì)遇到并發(fā)性影響的數(shù)量

相反欧穴，更高的隔離級(jí)別減少了用戶可能遇到的并發(fā)影響的類型民逼，但是需要更多的系統(tǒng)資源，并增加了一個(gè)事務(wù)阻塞另一個(gè)事務(wù)的機(jī)會(huì)涮帘。

因此拼苍，選擇適當(dāng)?shù)母綦x級(jí)別取決于平衡應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)完整性需求和每個(gè)隔離級(jí)別的開銷。