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MySQL笔记（7）– 事务和实现

2020 年 3 月 26 日
筆記

一、背景

　　前面有说到InnoDB是事务型引擎，那什么是事务？事务的特性是什么？它所对应的隔离级别是哪些？是怎么实现的？下面来详细讨论下。

二、事务的理解

　　事务就是一组原子性的SQL查询，或者说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，那么就执行该组语句。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。

　　可以用银行转账的例子来解释事务的必要性。如果一个银行的数据库有两张表，支票表和储蓄表，现在用户张三从他的支票账户转移200元到他的储蓄账号，那么需要发生至少三个步骤：

检查支票账号的余额高于200元；
从支票账号余额中减去200元；
在储蓄账号余额中增加200元。

　　上述三个步骤的操作必须打包在一个事务中，任何一个事务的失败，则必须回滚所有的步骤，即支票账号和储蓄账号都回到这个转账操作的最初状态。

　　可以用start transaction语句开始一个事务，然后用commit提交事务将修改的数据持久保留或使用rollback撤销所有的修改。事务SQL的样本如下：

start transaction;  select balance from checking where customer_id=1;  update checking set balance=balance-200.00 where customer_id=1;  update savings set balance=balance+200.00 where customer_id=1;  commit;

　　单纯的事务不是这个故事的全部。试想一下，如果执行到第四条语句时服务器崩溃了，会发生什么？可能会损失200元。再假如，在执行到第三条语句和第四条语句之间时，另外一个进程要删除支票账号的所有余额，那么结果可能是银行在不知道这个逻辑的情况下白白给了张三200元。

　　因此引出了下面的概念，事务的特性，即除非系统通过严格的ACID测试，否则空谈事务的概念是不够的。一个良好的事务处理系统，必须具备这些标准特性。

三、事务的特性

1.原子性（atomicity）

　　一个事务必须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。

2.一致性（consistency）

　　数据库总是从一个一致性的状态转换到另一个一致性的状态。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，支票账号中也不会损失200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。一致性可以理解是例子中—-开始的支票账号总数加上储蓄账号总数之和，等于转账结束后支票账号总数加上储蓄账号总数之和。

3.隔离性（isolation）

　　通常来说，一个事务所做的修改在最终提交之前，对其他事务是不可见的。在前面的例子中，当执行第三条语句、第四条语句还未开始时，此时有另外一个账号汇款过来，则其看到的支票账号余额并没有被减去200元。这当我们后面讨论隔离级别时，会发现为什么我们要说“通常来说”是不可见的。

4.持久性（durability）

　　一旦事务提交，则其所做的修改就会永久保存到数据库中。比如写redo log日志。

　　一个实现了ACID的数据库，比没有实现ACID的数据库，通常会需要更强的CPU处理能力、更大的内存和更多的磁盘空间。这也是MySQL的存储引擎架构可以发挥优势的地方，用户可以根据业务来判断是否需要事务处理，来选择合适的存储引擎。对于一些不需要事务的查询类应用，选择一个非事务型的存储引擎，可以获得更高的性能。即使存储引擎不支持事务，也可以通过LOCK TABLES加锁和UNLOCK TABLES解锁语句来提供一定程度的保护。

四、隔离级别

1.READ UNCOMMITTED（未提交读）

　　在READ UNCOMMITTED级别，事务中的修改，即使没有提交，对其他事务也都是可见的。事务读取未提交的数据，称为脏读（Dirty Read）。

2.READ COMMITTED（提交读）

　　大多数数据库系统的默认隔离级别都是READ COMMITTED（但MySQL不是）。一个事务开始时，只能“看见”已经提交的事务所做的修改。换句话说，一个事务从开始直到提交之前，所做的任何修改对其他事务都是不可见的。这个级别有时也叫不可重复读（nonrepeatable read)，因为两次执行同样的查询，可能会得到不一样的结果。【针对update更新操作】

3.REPEATABLE READ（可重复读）

　　REPEATABLE READ解决了脏读的问题，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，但还是存在幻读的问题，即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。InnoDB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。该级别是MySQL的默认事务隔离级别。【针对insert插入操作】

4.SERIALIZABLE（可串行化）

　　通过强制事务串行执行，避免了幻读的问题。简单来说，SERIALIZABLE会在读取的每一行数据上都加锁，所以可能导致大量的超时和锁争用的问题。“写”会加“写锁”，“读”会加“读锁”，当出现读写锁冲突时，后访问的事务必须等前一个事务执行完成，才能继续执行。

　　其中“提交读”和“可重复读”可能比较难理解，所以下面用一个例子说明这几种隔离级别。假设数据表T只有一列，其中一行的值为1，下面是按照时间顺序执行两个事务的行为：

　　我们来看看在不同的隔离级别下，事务A会有哪些不同的返回结果，也就是图里面的V1、V2、V3的返回值分别是什么：

若隔离级别是“未提交读”，则V1的值是2。这时候事务B虽然还没有提交，但是结果已经被A看到了。因此，V2、V3也都是2。
若隔离级别是“提交读”，则V1是1，V2的值是2。事务B的更新在提交后才能被A看到。所以V3的值也是2.
若隔离级别是“可重复读”，则V1、V2是1，V3是2。之所以V2还是1，遵循的就是：事务在执行期间看到的数据前后必须是一致的。
若隔离级别是”串行化“，则在事务B执行”将1改成2“时，会被锁住。直到事务A提交后，事务B才可以继续执行。所以从A的角度看，V1、V2的值是1，V3的值是2。

　　在实现上，数据库里面会创建一个视图，访问的时候以视图的逻辑结果为准。

在“未提交读”隔离级别下直接返回记录上的最新值，没有视图概念；
在”提交读“隔离级别下，视图是在每个SQL语句开始执行的时候创建的；
在”可重复读“隔离级别下，视图是在事务启动时创建的，整个事务存在期间都用这个视图；事务启动时的视图可以认为是静态的，不受其他事务更新的影响；
在“串行化”隔离级别下直接用加锁的方式来避免并行访问。

　　在不同的隔离级别下，数据库行为是有所不同的。Oracle数据库的默认隔离级别是“提交读”，因此如果你想一些数据从Oracle迁移到MySQL，为保证数据库隔离级别的一致，你要将MySQL的隔离级别设置为“提交读”。配置的方式是，将启动参数transaction-isolation的值设置为READ-COMMITTED。你可以用show variables来查看当前的值。

mysql> show variables like 'transaction_isolation';    +-----------------------+----------------+    | Variable_name | Value |    +-----------------------+----------------+    | transaction_isolation | READ-COMMITTED |    +-----------------------+----------------+

五、事务隔离的实现

　　理解了事务的隔离级别，那么事务隔离是怎么实现的呢？这里以“可重复读”来展开说明。

　　在MySQL中，实际上每条记录在更新时都会同时记录一条回滚操作。记录上的最新值，通过回滚操作，都可以得到前一个状态的值。

　　假设一个值从1被按顺序改成了2、3、4，在回滚日志里面就有类型下面的记录：

　　当前值是4，但是在查询这条记录的时候，不同时刻启动的事务会有不同的read-view。如图中看到的，在视图A、B、C中，这一个记录的值分别是1、2、4，同一条记录在系统中可以存在多个版本，这就是数据库的多版本并发控制（MVCC)。对于read-view A，要得到1，就必须将当前值依次执行图中所有的回滚操作得到。

　　同时你会发现，即使现在有另外一个事务正在将4改成5，这个事务跟read-view A、B、C对于的事务是不会冲突的。

　　回滚日志在不需要的时候会被删除，即系统会判断，当没有事务再需要用到这些回滚日志时，回滚日志会被删除。那什么时候才不需要了呢？就是当系统里没有比这个回滚日志更早的read-view的时候。

　　基于上面的说明，我们来讨论下为什么建议你尽量不要使用长事务。

　　长事务意味着系统里面会存在很老的事务视图，由于这些事务随时可能访问数据库里面的任何数据，所以这个事务提交之前，数据库里面它可能用到的回滚记录都必须保留，这就导致大量占用存储空间。

　　在MySQL5.5及以前的版本，回滚日志是跟数据字典一起放在ibdata文件里的，即使长事务最终提交，回滚段被清理，文件也不会变小。比如数据只有20GB，而回滚段有200GB的库，最终只好为了清理回滚段，重建整个库。除了对回滚段的影响，长事务还占用锁资源，也可能拖垮整个库。

事务的启动方式

显示启动事务语句，begin或start transaction。配套的提交语句是commit，回滚语句是rollback。
set autocommit=0，这个命令会将这个线程的自动提交关闭。意味着如果你只执行一个select语句，这个事务就启动了，而且并不会自动提交。这个事务持续存在直到你主动执行commit或rollback语句，或者断开连接。

　　有些客户端连接框架会默认连接成功后先执行一个set autocommit=0的命令，这就导致接下来的查询都在事务中，如果是长连接，就导致了意外的长事务。因此建议总是使用set autocommit=1，通过显示语句的方式来启动事务。

　　对于一个需要频繁使用事务的业务，第二种方式每个事务在开始时都不需要主动执行一次“begin”，减少了语句的交互次数。如果你顾虑“多一次交互”的问题，建议使用commit work and chain语法。

　　在autocommit为1的情况下，用begin显式启动的事务，如果执行commit则提交事务，如果执行commit work and chain，则是提交事务并自动启动下一个事务，这样也省去了再次执行begin语句的开销。同时带来的好处是从程序开发的角度明确每个语句是否处于事务中。

　　你可以在information_schema库的innodb_trx这个表查询长事务，比如下面这个语句，由于查找持续时间超过60s的事务：

select * from information_schema.innodb_trx where TIME_TO_SEC(timediff(now(),trx_started))>60

　六、讨论

　　前面说了系统里面应该避免长事务，那么有什么方案来避免出现或者处理这种情况呢？

　　首先，从应用开发端来看：

确认是否使用了set_autocommit=0，这个确认工作可以在测试环境中开展，把MySQL的general_log开起来，然后随便跑一个业务逻辑，通过general_log的日志来确认；
确认是否有不必要的只读事务。有些框架会习惯不管什么语句先用begin/commit框起来。把好几个select语句放到了事务中，这种只读事务可以去掉；
业务连接数据库时，根据业务本身的预估，通过SET MAX_EXECUTION_TIME命令，来控制每个语句执行的最长时间，避免单个语句意外执行太长时间。

　　其次，从数据库端来看：

监控information_schema.Innodb_trx表，设置长事务阀值，超过就预警或kill；
Percona的pt-kill工具不错，推荐使用；
在业务功能测试阶段要求输出所有的general_log，分析日志行为提前发现问题；
如果使用的是MySQL5.6或者更新版本，把innodb_undo_tablespaces设置为2（或者更大的值）。如果真出现大事务导致回滚段过大，这样设置后清理起来更方便。