作者：小小木
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開篇
相信大家都用過事務(wù)以及了解他的特點(diǎn)，如原子性(Atomicity),一致性(Consistency),隔離型(Isolation)以及持久性(Durability)等。今天想跟大家一起研究下事務(wù)內(nèi)部到底是怎么實(shí)現(xiàn)的，在講解前我想先拋出個問題：可靠性：數(shù)據(jù)庫要保證當(dāng)insert或update操作時拋異常或者數(shù)據(jù)庫crash的時候需要保障數(shù)據(jù)的操作前后的一致，想要做到這個，我需要知道我修改之前和修改之后的狀態(tài)，所以就有了undo log和redo log。
并發(fā)處理：也就是說當(dāng)多個并發(fā)請求過來，并且其中有一個請求是對數(shù)據(jù)修改操作的時候會有影響，為了避免讀到臟數(shù)據(jù)，所以需要對事務(wù)之間的讀寫進(jìn)行隔離，至于隔離到啥程度得看業(yè)務(wù)系統(tǒng)的場景了，實(shí)現(xiàn)這個就得用MySQL 的隔離級別。
下面我首先講實(shí)現(xiàn)事務(wù)功能的三個技術(shù)，分別是日志文件(redo log 和 undo log)，鎖技術(shù)以及MVCC，然后再講事務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理，包括原子性是怎么實(shí)現(xiàn)的，隔離型是怎么實(shí)現(xiàn)的等等。最后在做一個總結(jié)，希望大家能夠耐心看完- mysql鎖技術(shù)以及MVCC基礎(chǔ)
二、 redo log 與 undo log介紹
1. redo log
什么是redo log ?
redo log叫做重做日志，是用來實(shí)現(xiàn)事務(wù)的持久性。該日志文件由兩部分組成：重做日志緩沖（redo log buffer）以及重做日志文件（redo log）,前者是在內(nèi)存中，后者在磁盤中。當(dāng)事務(wù)提交之后會把所有修改信息都會存到該日志中。假設(shè)有個表叫做tb1(id,username) 現(xiàn)在要插入數(shù)據(jù)（3，ceshi）start?transaction;
select?balance?from?bank?where?name="zhangsan";
//?生成?重做日志?balance=600
update?bank?set?balance?=?balance?-?400;?
//?生成?重做日志?amount=400
update?finance?set?amount?=?amount?+?400;
commit;
redo log 有什么作用？
mysql 為了提升性能不會把每次的修改都實(shí)時同步到磁盤，而是會先存到Boffer Pool(緩沖池)里頭，把這個當(dāng)作緩存來用。然后使用后臺線程去做緩沖池和磁盤之間的同步。那么問題來了，如果還沒來的同步的時候宕機(jī)或斷電了怎么辦？還沒來得及執(zhí)行上面圖中紅色的操作。這樣會導(dǎo)致丟部分已提交事務(wù)的修改信息！所以引入了redo log來記錄已成功提交事務(wù)的修改信息，并且會把redo log持久化到磁盤，系統(tǒng)重啟之后在讀取redo log恢復(fù)最新數(shù)據(jù)。redo log是用來恢復(fù)數(shù)據(jù)的 用于保障，已提交事務(wù)的持久化特性
2.undo log
什么是 undo log ？
undo log 叫做回滾日志，用于記錄數(shù)據(jù)被修改前的信息。他正好跟前面所說的重做日志所記錄的相反，重做日志記錄數(shù)據(jù)被修改后的信息。undo log主要記錄的是數(shù)據(jù)的邏輯變化，為了在發(fā)生錯誤時回滾之前的操作，需要將之前的操作都記錄下來，然后在發(fā)生錯誤時才可以回滾。每次寫入數(shù)據(jù)或者修改數(shù)據(jù)之前都會把修改前的信息記錄到 undo log。undo log 有什么作用？
undo log 記錄事務(wù)修改之前版本的數(shù)據(jù)信息，因此假如由于系統(tǒng)錯誤或者rollback操作而回滾的話可以根據(jù)undo log的信息來進(jìn)行回滾到?jīng)]被修改前的狀態(tài)。undo log是用來回滾數(shù)據(jù)的用于保障 未提交事務(wù)的原子性
三、mysql鎖技術(shù)以及MVCC基礎(chǔ)
1. mysql鎖技術(shù)
當(dāng)有多個請求來讀取表中的數(shù)據(jù)時可以不采取任何操作，但是多個請求里有讀請求，又有修改請求時必須有一種措施來進(jìn)行并發(fā)控制。不然很有可能會造成不一致。讀寫鎖
解決上述問題很簡單，只需用兩種鎖的組合來對讀寫請求進(jìn)行控制即可，這兩種鎖被稱為：讀鎖是可以共享的，或者說多個讀請求可以共享一把鎖讀數(shù)據(jù)，不會造成阻塞。排他鎖(exclusive lock),又叫做"寫鎖"寫鎖會排斥其他所有獲取鎖的請求，一直阻塞，直到寫入完成釋放鎖。總結(jié)：通過讀寫鎖，可以做到讀讀可以并行，但是不能做到寫讀，寫寫并行 事務(wù)的隔離性就是根據(jù)讀寫鎖來實(shí)現(xiàn)的?。?！這個后面再說。2. MVCC基礎(chǔ)
MVCC (MultiVersion Concurrency Control) 叫做多版本并發(fā)控制。InnoDB的 MVCC ，是通過在每行記錄的后面保存兩個隱藏的列來實(shí)現(xiàn)的。這兩個列， 一個保存了行的創(chuàng)建時間，一個保存了行的過期時間，當(dāng)然存儲的并不是實(shí)際的時間值，而是系統(tǒng)版本號。
以上片段摘自《高性能Mysql》這本書對MVCC的定義。他的主要實(shí)現(xiàn)思想是通過數(shù)據(jù)多版本來做到讀寫分離。從而實(shí)現(xiàn)不加鎖讀進(jìn)而做到讀寫并行。MVCC在mysql中的實(shí)現(xiàn)依賴的是undo log與read view- undo log :undo log 中記錄某行數(shù)據(jù)的多個版本的數(shù)據(jù)。
- read view :用來判斷當(dāng)前版本數(shù)據(jù)的可見性
四、事務(wù)的實(shí)現(xiàn)
前面講的重做日志，回滾日志以及鎖技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)事務(wù)的基礎(chǔ)。- 事務(wù)的原子性是通過 undo log 來實(shí)現(xiàn)的
- 事務(wù)的持久性性是通過 redo log 來實(shí)現(xiàn)的
- 事務(wù)的隔離性是通過 (讀寫鎖+MVCC)來實(shí)現(xiàn)的
- 而事務(wù)的終極大 boss 一致性是通過原子性，持久性，隔離性來實(shí)現(xiàn)的?。?！
原子性，持久性，隔離性折騰半天的目的也是為了保障數(shù)據(jù)的一致性！總之，ACID只是個概念，事務(wù)最終目的是要保障數(shù)據(jù)的可靠性，一致性。1.原子性的實(shí)現(xiàn)
一個事務(wù)必須被視為不可分割的最小工作單位，一個事務(wù)中的所有操作要么全部成功提交，要么全部失敗回滾，對于一個事務(wù)來說不可能只執(zhí)行其中的部分操作，這就是事務(wù)的原子性。上面這段話取自《高性能MySQL》這本書對原子性的定義，原子性可以概括為就是要實(shí)現(xiàn)要么全部失敗，要么全部成功。以上概念相信大家伙兒都了解，那么數(shù)據(jù)庫是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？就是通過回滾操作。所謂回滾操作就是當(dāng)發(fā)生錯誤異常或者顯式的執(zhí)行rollback語句時需要把數(shù)據(jù)還原到原先的模樣，所以這時候就需要用到undo log來進(jìn)行回滾，接下來看一下undo log在實(shí)現(xiàn)事務(wù)原子性時怎么發(fā)揮作用的1.1 undo log 的生成
假設(shè)有兩個表 bank和finance，表中原始數(shù)據(jù)如圖所示，當(dāng)進(jìn)行插入，刪除以及更新操作時生成的undo log如下面圖所示：從上圖可以了解到數(shù)據(jù)的變更都伴隨著回滾日志的產(chǎn)生：(1) 產(chǎn)生了被修改前數(shù)據(jù)(zhangsan,1000) 的回滾日志(2) 產(chǎn)生了被修改前數(shù)據(jù)(zhangsan,0) 的回滾日志- 每條數(shù)據(jù)變更(insert/update/delete)操作都伴隨一條undo log的生成,并且回滾日志必須先于數(shù)據(jù)持久化到磁盤上
- 所謂的回滾就是根據(jù)回滾日志做逆向操作，比如delete的逆向操作為insert，insert的逆向操作為delete，update的逆向?yàn)閡pdate等。
思考：為什么先寫日志后寫數(shù)據(jù)庫？---稍后做解釋
1.2 根據(jù)undo log 進(jìn)行回滾
為了做到同時成功或者失敗，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生錯誤或者執(zhí)行rollback操作時需要根據(jù)undo log 進(jìn)行回滾回滾操作就是要還原到原來的狀態(tài)，undo log記錄了數(shù)據(jù)被修改前的信息以及新增和被刪除的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)undo log生成回滾語句，比如：- 如果在回滾日志里有新增數(shù)據(jù)記錄，則生成刪除該條的語句
- 如果在回滾日志里有刪除數(shù)據(jù)記錄，則生成生成該條的語句
- 如果在回滾日志里有修改數(shù)據(jù)記錄，則生成修改到原先數(shù)據(jù)的語句
2.持久性的實(shí)現(xiàn)
事務(wù)一旦提交，其所作做的修改會永久保存到數(shù)據(jù)庫中，此時即使系統(tǒng)崩潰修改的數(shù)據(jù)也不會丟失。先了解一下MySQL的數(shù)據(jù)存儲機(jī)制，MySQL的表數(shù)據(jù)是存放在磁盤上的，因此想要存取的時候都要經(jīng)歷磁盤IO,然而即使是使用SSD磁盤IO也是非常消耗性能的。為此，為了提升性能InnoDB提供了緩沖池(Buffer Pool)，Buffer Pool中包含了磁盤數(shù)據(jù)頁的映射，可以當(dāng)做緩存來使用：- 讀數(shù)據(jù)：會首先從緩沖池中讀取，如果緩沖池中沒有，則從磁盤讀取在放入緩沖池；
- 寫數(shù)據(jù)：會首先寫入緩沖池，緩沖池中的數(shù)據(jù)會定期同步到磁盤中；
上面這種緩沖池的措施雖然在性能方面帶來了質(zhì)的飛躍，但是它也帶來了新的問題，當(dāng)MySQL系統(tǒng)宕機(jī)，斷電的時候可能會丟數(shù)據(jù)?。?！因?yàn)槲覀兊臄?shù)據(jù)已經(jīng)提交了，但此時是在緩沖池里頭，還沒來得及在磁盤持久化，所以我們急需一種機(jī)制需要存一下已提交事務(wù)的數(shù)據(jù)，為恢復(fù)數(shù)據(jù)使用。于是 redo log就派上用場了。下面看下redo log是什么時候產(chǎn)生的。事務(wù)開始之后就產(chǎn)生redo log，redo log的落盤并不是隨著事務(wù)的提交才寫入的，而是在事務(wù)的執(zhí)行過程中，便開始寫入redo log文件中。既然redo log也需要存儲，也涉及磁盤IO為啥還用它？- redo log 的存儲是順序存儲，而緩存同步是隨機(jī)操作。
- 緩存同步是以數(shù)據(jù)頁為單位的，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小大于redo log。
3.隔離性實(shí)現(xiàn)
隔離性是事務(wù)ACID特性里最復(fù)雜的一個。在SQL標(biāo)準(zhǔn)里定義了四種隔離級別，每一種級別都規(guī)定一個事務(wù)中的修改，哪些是事務(wù)之間可見的，哪些是不可見的。級別越低的隔離級別可以執(zhí)行越高的并發(fā)，但同時實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及開銷也越大。- REPEATABLE READ (可重復(fù)讀)
只要徹底理解了隔離級別以及他的實(shí)現(xiàn)原理就相當(dāng)于理解了ACID里的隔離型。前面說過原子性，隔離性，持久性的目的都是為了要做到一致性，但隔離型跟其他兩個有所區(qū)別，原子性和持久性是為了要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可性保障靠，比如要做到宕機(jī)后的恢復(fù)，以及錯誤后的回滾。那么隔離性是要做到什么呢？隔離性是要管理多個并發(fā)讀寫請求的訪問順序。這種順序包括串行或者是并行說明一點(diǎn)，寫請求不僅僅是指insert操作，又包括update操作。總之，從隔離性的實(shí)現(xiàn)可以看出這是一場數(shù)據(jù)的可靠性與性能之間的權(quán)衡。- 可靠性性高的，并發(fā)性能低(比如 Serializable)
- 可靠性低的，并發(fā)性能高(比如 Read Uncommited)
READ UNCOMMITTED
在READ UNCOMMITTED隔離級別下，事務(wù)中的修改即使還沒提交，對其他事務(wù)是可見的。事務(wù)可以讀取未提交的數(shù)據(jù)，造成臟讀。因?yàn)樽x不會加任何鎖，所以寫操作在讀的過程中修改數(shù)據(jù)，所以會造成臟讀。好處是可以提升并發(fā)處理性能，能做到讀寫并行。READ COMMITTED
一個事務(wù)的修改在他提交之前的所有修改，對其他事務(wù)都是不可見的。其他事務(wù)能讀到已提交的修改變化。在很多場景下這種邏輯是可以接受的。InnoDB在 READ COMMITTED，使用排它鎖,讀取數(shù)據(jù)不加鎖而是使用了MVCC機(jī)制。或者換句話說他采用了讀寫分離機(jī)制。但是該級別會產(chǎn)生不可重讀以及幻讀問題。在一個事務(wù)內(nèi)多次讀取的結(jié)果不一樣。這跟 READ COMMITTED 級別下的MVCC機(jī)制有關(guān)系，在該隔離級別下每次 select的時候新生成一個版本號，所以每次select的時候讀的不是一個副本而是不同的副本。在每次select之間有其他事務(wù)更新了我們讀取的數(shù)據(jù)并提交了，那就出現(xiàn)了不可重復(fù)讀REPEATABLE READ(Mysql默認(rèn)隔離級別)
在一個事務(wù)內(nèi)的多次讀取的結(jié)果是一樣的。這種級別下可以避免，臟讀，不可重復(fù)讀等查詢問題。mysql 有兩種機(jī)制可以達(dá)到這種隔離級別的效果，分別是采用讀寫鎖以及MVCC。為什么能可重復(fù)度？只要沒釋放讀鎖，在次讀的時候還是可以讀到第一次讀的數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)起來簡單
為什么能可重復(fù)度？因?yàn)槎啻巫x取只生成一個版本，讀到的自然是相同數(shù)據(jù)。- 缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度高
但是在該隔離級別下仍會存在幻讀的問題，關(guān)于幻讀的解決我打算另開一篇來介紹。SERIALIZABLE
該隔離級別理解起來最簡單，實(shí)現(xiàn)也最單。在隔離級別下除了不會造成數(shù)據(jù)不一致問題，沒其他優(yōu)點(diǎn)。4.一致性的實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)庫總是從一個一致性的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個一致性的狀態(tài).下面舉個例子:zhangsan 從銀行卡轉(zhuǎn)400到理財賬戶start?transaction;
select?balance?from?bank?where?name="zhangsan";
//?生成?重做日志?balance=600
update?bank?set?balance?=?balance?-?400;?
//?生成?重做日志?amount=400
update?finance?set?amount?=?amount?+?400;
commit;
1.假如執(zhí)行完 update bank set balance = balance - 400;之發(fā)生異常了，銀行卡的錢也不能平白無辜的減少，而是回滾到最初狀態(tài)。2.又或者事務(wù)提交之后，緩沖池還沒同步到磁盤的時候宕機(jī)了，這也是不能接受的，應(yīng)該在重啟的時候恢復(fù)并持久化。3.假如有并發(fā)事務(wù)請求的時候也應(yīng)該做好事務(wù)之間的可見性問題，避免造成臟讀，不可重復(fù)讀，幻讀等。在涉及并發(fā)的情況下往往在性能和一致性之間做平衡，做一定的取舍，所以隔離性也是對一致性的一種破壞。總結(jié)
本文出發(fā)點(diǎn)是想講一下Mysql的事務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理。實(shí)現(xiàn)事務(wù)采取了哪些技術(shù)以及思想？- 原子性：使用 undo log ，從而達(dá)到回滾
- 持久性：使用 redo log，從而達(dá)到故障后恢復(fù)
- 隔離性：使用鎖以及MVCC,運(yùn)用的優(yōu)化思想有讀寫分離，讀讀并行，讀寫并行
- 一致性：通過回滾，以及恢復(fù)，和在并發(fā)環(huán)境下的隔離做到一致性。
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