為什么需要事務(wù)呢圾结？

在數(shù)據(jù)庫(kù)（二），數(shù)據(jù)庫(kù)起源里面我們提到了事務(wù)晌姚。

數(shù)據(jù)庫(kù)除了對(duì)查詢等操作進(jìn)行了抽象舀凛，另外一個(gè)重要的功能就是事務(wù)了途蒋。為什么需要事務(wù)呢号坡？因?yàn)槲覀冊(cè)诓僮鲾?shù)據(jù)的時(shí)候梯醒，可能遇到多個(gè)線程同時(shí)操作數(shù)據(jù)的問(wèn)題茸习，也可能遇到突然數(shù)據(jù)庫(kù)故障了的問(wèn)題畜隶，這些都可能造成數(shù)據(jù)的不一致。所以事務(wù)要保證的就是一致性浸遗。

保證一致性的第一重意思是鎖箱亿，這是為了應(yīng)對(duì)多個(gè)連接同時(shí)連到數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候届惋。因?yàn)槲覀兛赡転槊總€(gè)連接分配一個(gè)線程，而這些線程有可能同時(shí)操作同一塊數(shù)據(jù)郑藏，這樣將會(huì)發(fā)生不一致译秦。所以我們只好在寫的時(shí)候加上鎖击碗，也就是強(qiáng)行保證只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)到這塊數(shù)據(jù)稍途。

另外我們還會(huì)遇到數(shù)據(jù)庫(kù)崩潰的問(wèn)題械拍，所以我們要求一個(gè)事務(wù)一定是原子的，也就是 要么全部發(fā)生甲馋， 要么根本不發(fā)生定躏。比如Bob給Smith轉(zhuǎn)100塊芹敌，要么Bob有100塊氏捞，要么Smith有100塊，不存在中間狀態(tài)逞姿。

對(duì)于單機(jī)事務(wù)而言滞造，需要保證

• 原子性
• 一致性
• 隔離性
• 持久性

也就是所謂的ACID，下面我們依次介紹他們是怎么實(shí)現(xiàn)的猎贴。

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原子性

Undo日志

所謂原子性指的是要么同時(shí)成功她渴，要么同時(shí)失敗趁耗。比如Bob賬戶里面有100塊疆虚，而Smith賬戶里面有0元径簿，現(xiàn)在我們希望Bob轉(zhuǎn)100塊給Smith。

所謂原子性就是要么Bob成功轉(zhuǎn)給了Smith100塊缠捌，此時(shí)Bob有0元曼月、Smith有100塊柔昼。要么失敗了捕透，Bob仍然有100塊激率，Smith為0元勿决。不會(huì)存在Bob把錢轉(zhuǎn)出去了低缩，而Smith卻沒(méi)有拿到錢的情況曹货。

現(xiàn)在我們來(lái)想想要實(shí)現(xiàn)這個(gè)事務(wù)顶籽，應(yīng)該怎么做

• 鎖定Bob賬戶

• 鎖定Smith賬戶

• 查看Bob是否有100塊錢礼饱，如果有究驴，則從賬號(hào)里面減少100塊

• 給Smith賬戶里面增加100塊

• 依次解鎖Bob和Smith

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但是執(zhí)行事務(wù)不會(huì)永遠(yuǎn)是一帆風(fēng)順的洒忧，可能出現(xiàn)意外熙侍，比如Bob或者Smith賬戶不存在怎么辦蛉抓？沒(méi)關(guān)系，我們可以回滾到上一個(gè)狀態(tài)减余。

但是數(shù)據(jù)庫(kù)不可能把每個(gè)狀態(tài)都記錄下來(lái)位岔，這就需要我們?cè)谵D(zhuǎn)賬之前把之前的狀態(tài)記錄下來(lái)堡牡。

比如我們看剛剛那個(gè)轉(zhuǎn)賬操作的中間狀態(tài)

1. Bob：100晤柄，Smith：0
2. Bob：0芥颈，Smith ：0 （此時(shí)正在轉(zhuǎn)賬）
3. Bob ： 0 ， Smith ：100（轉(zhuǎn)賬成功）

我們可以在插入兩個(gè)undo段纠屋，他們記錄在日志中售担。

1. Bob：100，Smith：0
2. Bob：0岩四，Smith ：0 （此時(shí)正在轉(zhuǎn)賬）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為：Bob：100剖煌，Smith：0
3. Bob ： 0 逝淹， Smith ：100（轉(zhuǎn)賬成功）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為： Bob：0创橄，Smith ：0

這樣如果要回滾妥畏，只需要回溯日志即可實(shí)現(xiàn)。這

另外還有一種可能就是事務(wù)并沒(méi)有進(jìn)行完燃辖，系統(tǒng)就崩潰了怎么辦黔龟？那系統(tǒng)重啟之后就得做恢復(fù)操作啊氏身。那怎么恢復(fù)了惑畴，同樣也是通過(guò)日志如贷。我們可以在進(jìn)行真正的操作之前杠袱，需要把要做的事寫下來(lái)，

我們會(huì)在事務(wù)開始之前寫下：

Bob原有100元凿掂，Smith原有0元

如果事務(wù)執(zhí)行到一半就斷電缠劝，那么重啟之后我們就可以按照日志來(lái)恢復(fù)惨恭，然后仍然是** Bob有100元耙旦，Smith有0元免都。即使恢復(fù)100次绕娘，仍然是這個(gè)結(jié)果，這就叫冪等性**侨舆，所以恢復(fù)過(guò)程中也斷電了挨下，我們?nèi)匀豢梢园凑杖罩緛?lái)進(jìn)行恢復(fù)臭笆。

現(xiàn)在還有個(gè)一問(wèn)題沒(méi)有解決秤掌，那就是怎么知道一個(gè)事務(wù)沒(méi)有完成呢闻鉴？

同樣我們可以通過(guò)記錄日志的方式來(lái)完成椒拗。比如我們?cè)谟涗浀臅r(shí)候蚀苛，不但把余額記上，還把事務(wù)開始了和結(jié)束這兩個(gè)動(dòng)作打上標(biāo)記腋舌。

比如

[開始事務(wù)T1]
[事務(wù)T1：Bob原有100]
[事務(wù)T2：Smith原有0]
[提交事務(wù)T1]

這樣块饺，如果在日志中看到了提交事務(wù)T1或者回滾事務(wù)T1授艰，我們就知道這個(gè)事務(wù)已經(jīng)結(jié)束了淮腾。如果只看到開始事務(wù)T1，那就得恢復(fù)洲押。比如下面這個(gè)就得恢復(fù)

[開始事務(wù)T1]
[事務(wù)T1：Bob原有100]
[事務(wù)T2：Smith原有0]

而且杈帐，在恢復(fù)之后挑童，需要在日志文件中加上一行回滾事務(wù)T1炮沐，這樣下次恢復(fù)就不用再考慮T1這個(gè)事務(wù)呢回怜，因?yàn)楝F(xiàn)在早已經(jīng)回到上一個(gè)狀態(tài)去了呢玉雾。

Undo日志寫入文件的時(shí)機(jī)

上面的討論其實(shí)我們都故意忽略了一個(gè)問(wèn)題复旬，那就是Undo日志也需要加載到內(nèi)存中才能讀寫驹碍，但是如果日志還沒(méi)寫好就斷電了怎么辦志秃？

其實(shí)我們只要掌握好把日志寫入文件的時(shí)機(jī)就OK了。

最容易想到的就是在一開始就把日志寫入文件竟坛，就好比寫作文前把草稿打好担汤，后面只管按著草稿謄抄一遍就可以了崭歧。

然而驾荣，現(xiàn)實(shí)是普泡，一開始的時(shí)候撼班，我們都不知道程序要操作哪個(gè)字段砰嘁，怎么記錄日志呢矮湘，當(dāng)然也不能寫入文件呢缅阳。所以肯定是一邊在內(nèi)存中操作Undo日志，一邊找時(shí)機(jī)寫入磁盤中秀撇。

比如上面的轉(zhuǎn)賬操作呵燕，我們其實(shí)可以這樣來(lái)修改和寫日志再扭。

總結(jié)一下就是般眉，

• 當(dāng)余額發(fā)生改變的時(shí)候潜支，記錄之前的余額

• 在余額要寫入硬盤之前冗酿，需要把日志先寫入文件已烤，然后日志緩沖區(qū)會(huì)清空胯究。

• 提交事務(wù)的日志一定是在所有余額都寫入硬盤之后才寫入

也就是說(shuō)事務(wù)過(guò)程中裕循，余額發(fā)生改變剥哑，在余額正式寫入了硬盤以后株婴，相當(dāng)于木已成舟暑认，所以我們也需要把日志寫入硬盤蘸际。

當(dāng)所有余額都穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)穆涞酱疟P上了粮彤，我們自然也應(yīng)該把日志落到磁盤上

那么我們可以攻防演練一下导坟。

如果Bob的余額寫到了硬盤惫周，但是Smith還沒(méi)修改闯两。此時(shí)日志中落盤的只有Bob原有的余額也就是：

[開始事務(wù)T1]
[事務(wù)T1：Bob原有100]

恢復(fù)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)事務(wù)沒(méi)有結(jié)束饥臂，所以還會(huì)把Bob的余額給恢復(fù)了隅熙。

同理囚戚，如果Bob和Smith的余額都落盤了驰坊，但是沒(méi)有提交事務(wù)拳芙，此時(shí)日志是

[開始事務(wù)T1]
[事務(wù)T1：Bob原有100]
[事務(wù)T2：Smith原有0]

依然可以恢復(fù)兩個(gè)賬戶的余額舟扎。

即使兩個(gè)賬戶的最新余額都落盤了睹限，也提交了事務(wù)羡疗，但是只要在日志寫入磁盤之前崩潰顺囊，則Undo日志還是

[開始事務(wù)T1]
[事務(wù)T1：Bob原有100]
[事務(wù)T2：Smith原有0]

同樣會(huì)把余額恢復(fù)成原樣特碳。

原子性做不到的地方

現(xiàn)在可算是把原子性說(shuō)完了诚亚，但是只有原子性是不夠的，為什么呢午乓？因?yàn)樗鼰o(wú)法保證多個(gè)線程訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)的一致性站宗。

比如在第2步的時(shí)候，另一個(gè)事務(wù)把把smith賬戶加到了300塊錢益愈，

1. Bob：100梢灭，Smith：0
2. Bob：0，Smith ：0 ------------->Bob：0敏释，Smith ：300（另一個(gè)事務(wù)干的）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為：Bob：100，Smith：0
3. Bob ： 0 摸袁， Smith ：100（轉(zhuǎn)賬成功）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為： Bob：0钥顽，Smith ：0

如果有另一個(gè)事務(wù)在進(jìn)行到步驟2的時(shí)候把smith賬戶加到了300塊錢，此時(shí)如果回滾靠汁，會(huì)把smith改為0蜂大，那加上的300塊就丟失了。 那么我們還需要一致性蝶怔。

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一致性

上一章我們提到了如果在事務(wù)中間奶浦，有另一個(gè)事務(wù)突然插手對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，則如果出現(xiàn)回退踢星，將會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的問(wèn)題澳叉。

那怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？如果我們一個(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)操作完了以后斩狱，另一個(gè)事務(wù)再進(jìn)入耳高，這樣就不會(huì)發(fā)生爭(zhēng)搶和數(shù)據(jù)不一致了。所以核心就在于加鎖所踊。

比如

•  Lock Bob , Smith
  

1. Bob：100泌枪，Smith：0
2. Bob：0，Smith ：0 ------------->Bob：0秕岛，Smith ：300（另一個(gè)事務(wù)干的）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為：Bob：100碌燕，Smith：0
3. Bob ： 0 误证， Smith ：100（轉(zhuǎn)賬成功）
   • 上一個(gè)狀態(tài)為： Bob：0，Smith ：0

• unLock Bob and Smith

在事務(wù)的開始和結(jié)束分別進(jìn)行加鎖和解鎖修壕。這樣愈捅，其他的事務(wù)并不可知事務(wù)內(nèi)部的事情。只有在事務(wù)單元內(nèi)部完全成功了以后才對(duì)外可見慈鸠。

到現(xiàn)在我們“仿佛”已經(jīng)解決了并發(fā)蓝谨、一致兩個(gè)大問(wèn)題了，但是新的問(wèn)題也來(lái)了青团，加鎖以后譬巫，其他的事務(wù)無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)，那么系統(tǒng)的并發(fā)度是上不來(lái)的督笆，這就是下面的隔離性要解決的問(wèn)題芦昔。

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隔離性

所謂隔離性，其實(shí)是以性能作為理由娃肿，在破壞一致性咕缎。何以見得？因?yàn)槿绻ＷC強(qiáng)一致性料扰，最好的方法就是不管讀寫凭豪，統(tǒng)統(tǒng)排隊(duì)進(jìn)行，這樣一定不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致的情況记罚。

然而此時(shí)就做不到高的并發(fā)墅诡，性能也就上不去。所以我們只要做一些妥協(xié)桐智，比如只加寫鎖，不加讀鎖烟馅。

我們首先需要看看说庭，兩個(gè)事務(wù)單元對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)，有哪幾種并發(fā)模式郑趁，然后定義不同的隔離級(jí)別刊驴，看每種隔離級(jí)別可以實(shí)現(xiàn)哪些并發(fā)模式。

4種可能

同樣我們以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明

現(xiàn)在 T1 ：Bob要給Smith 100塊寡润，然后T2 ： Smith要給Joe 100塊捆憎。

這就是兩個(gè)事務(wù)，如下圖所示梭纹，為了保證一致性躲惰，Smith賬戶會(huì)被兩個(gè)事務(wù)單元鎖定。也就是兩個(gè)事務(wù)有共享數(shù)據(jù)变抽，Bob在給Smith轉(zhuǎn)錢的時(shí)候础拨，另一個(gè)事務(wù)無(wú)法對(duì)Smith賬戶進(jìn)行操作了氮块，并發(fā)就上不去。

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此時(shí)兩個(gè)事務(wù)單元T1诡宗，T2之間只有讀寫并發(fā)滔蝉、寫讀并發(fā)、讀讀并發(fā)塔沃、寫寫并發(fā)4種可能蝠引。

• 寫寫并行

  什么時(shí)候能寫寫并行，只有當(dāng)兩個(gè)事務(wù)的數(shù)據(jù)完全沒(méi)有重疊的情況下蛀柴，比如如下的情況立肘。

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因?yàn)闆](méi)有共享數(shù)據(jù)，所以完全可以寫寫并行名扛，也就是寫寫都不加鎖谅年。

• 讀讀并行

  也就是讀操作不加鎖，這樣讀與讀可以并行操作肮韧，因?yàn)樽x不會(huì)修改數(shù)據(jù)融蹂，所以讀讀可以放心的并行，而不用擔(dān)心一致性的問(wèn)題弄企。

  
  
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• 讀寫并行

  也就是讀的時(shí)候超燃，可以并發(fā)寫。我們知道拘领，寫操作會(huì)修改數(shù)據(jù)意乓，但是寫是加鎖的，所以我們無(wú)法讀到寫未提交的結(jié)果约素。所以雖然兩次讀到的數(shù)據(jù)是不一樣的届良，不可重復(fù)讀，但是每次讀到的數(shù)據(jù)都是正確的圣猎，不存在不一致士葫。

• 寫讀并行

  也就是寫的時(shí)候，還可以并發(fā)讀送悔。因?yàn)閿?shù)據(jù)是在不斷改變的慢显，很可能讀到中間的狀態(tài)，如果系統(tǒng)在此時(shí)崩潰了欠啤，重啟的時(shí)候會(huì)恢復(fù)到修改前的值荚藻，此時(shí)自然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)亂。
  那么我們是否無(wú)法實(shí)現(xiàn)寫讀并行了嗎洁段？并不是应狱，可以通過(guò)Copy on Write。具體怎么做呢眉撵？每次寫操作之前都把數(shù)據(jù)復(fù)制一份到log里面侦香，在log里面進(jìn)行修改落塑。

  其實(shí)就是把原來(lái)的數(shù)據(jù)復(fù)制一份，然后修改罐韩。這樣讀操作作用的就是原來(lái)的數(shù)據(jù)憾赁，而寫作用的是備份的數(shù)據(jù)，互不干擾散吵。

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我們知道數(shù)據(jù)被復(fù)制出去了一份以后，可能會(huì)被修改多次枚冗，那么下一次讀應(yīng)該讀修改后哪個(gè)版本的數(shù)據(jù)呢缓溅？這個(gè)時(shí)候，我們可以在日志里面加上版本號(hào)赁温。比如說(shuō)坛怪，現(xiàn)在寫入的數(shù)據(jù)版本號(hào)是10，如果要讀取版本號(hào)為5的數(shù)據(jù)股囊，則可以往前一直找袜匿，直到找到對(duì)應(yīng)的位置。

所以如果讀發(fā)生在寫操作之后稚疹，讀的版本號(hào)一定要大于寫的版本號(hào)居灯。這樣就可以保證讀到想要的數(shù)據(jù)。

四種隔離級(jí)別

上面講了兩個(gè)事務(wù)單元針對(duì)一塊數(shù)據(jù)其實(shí)有4種并發(fā)的可能内狗，接下來(lái)我們繼續(xù)討論隔離級(jí)別怪嫌。不同的隔離級(jí)別可以實(shí)現(xiàn)讀寫并行、寫讀并行其屏、讀讀并行喇勋、寫寫并行的一種或者幾種。

• 串行化：

  就是讀的時(shí)候不允許寫偎行，寫的時(shí)候不允許讀，這樣可以保證數(shù)據(jù)強(qiáng)一致贰拿，但是性能最低蛤袒。SQLite默認(rèn)采用這種方式。

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• 可重復(fù)讀膨更，也就是只能實(shí)現(xiàn)讀讀并行妙真，讀寫、寫讀荚守、寫寫等不能實(shí)現(xiàn)珍德。

  所以在兩個(gè)都是讀的時(shí)候练般，不加讀鎖，其他情況均需要加鎖锈候。

  MySQL默認(rèn)是這種方式薄料。

• 讀已提交(Read Committed)：
  此時(shí)當(dāng)數(shù)據(jù)被加上讀鎖了以后，一個(gè)寫進(jìn)來(lái)泵琳，寫鎖替換掉讀鎖摄职，也就是可以將讀鎖升級(jí)為寫鎖。

  那么如果事務(wù)T1讀取了數(shù)據(jù)获列，然后事務(wù)T2把這個(gè)數(shù)據(jù)修改了谷市，因?yàn)槭聞?wù)T2也是加鎖的，所以它會(huì)提交击孩，那么事務(wù)T1再讀取這個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)迫悠，原來(lái)的數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生變化了。這就是不可重復(fù)讀巩梢。

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  此時(shí)可以做到讀寫并行创泄、讀讀并行，做不了寫讀并行

  Oracle , PostgreSQL, SQL Server都是使用的這種模式且改。

• 讀未提交：顧名思義验烧，就是可以讀到未提交的內(nèi)容

  最低級(jí)別的隔離，此時(shí)只加上寫和讀是不加鎖的又跛。因?yàn)閿?shù)據(jù)是在不斷改變的碍拆，很可能讀到中間的狀態(tài)，如果系統(tǒng)在此時(shí)崩潰了慨蓝，重啟的時(shí)候會(huì)恢復(fù)到修改前的值感混，此時(shí)自然會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)亂。

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要解決寫讀并行的問(wèn)題礼烈，可以使用上面說(shuō)過(guò)的Copy on write弧满，這種方法最大的好處在于可以保證寫讀并行，同時(shí)隔離級(jí)別還很高

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持久性

現(xiàn)在我們來(lái)討論最后ACID的持久性此熬，也就是只要事務(wù)提交了庭呜，不管是崩潰還是出錯(cuò)，數(shù)據(jù)一定要寫到磁盤上

那么數(shù)據(jù)什么情況下會(huì)丟失呢犀忱？

• 首先是磁盤損壞募谎。所以我們可以使用RAID冗余磁盤陣列來(lái)保證可靠性。詳見【大話存儲(chǔ)】學(xué)習(xí)筆記（4阴汇，5章）数冬，RAID

• 還有就是內(nèi)存如果掉電，里面的數(shù)據(jù)就必然丟失搀庶，持久性得不到保證拐纱。但是如果每一次提交操作完成以后铜异，都將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)同步到硬盤上，則會(huì)造成頻繁寫硬盤秸架，性能將下降揍庄。所以持久性和延遲無(wú)法兼得

  我們只要進(jìn)行折中，比如只要把數(shù)據(jù)提交到內(nèi)存咕宿，就立刻返回成功币绩，然后將一段時(shí)間的請(qǐng)求打包送到磁盤上。這樣就避免了每次提交都寫磁盤

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參考

• 慕課網(wǎng)
• 如果有人問(wèn)你數(shù)據(jù)庫(kù)的原理府阀，叫他看這篇文章如果有人問(wèn)你數(shù)據(jù)庫(kù)的原理缆镣，叫他看這篇文章