MYSQL实现原理 - 事务的隔离级别

news2025/2/14 3:38:22

版本

版本日期说明
v12025-02-10

准备

为后续故事的顺利展开，这里创建一个账户表

create database test;

CREATE TABLE `test`.`account` (
  `user_id` int(10) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '用户ID',
  `user_name` varchar(200) NOT NULL DEFAULT '' COMMENT '用户名称',
  `amount` int unsigned NOT NULL DEFAULT 0 COMMENT '金额',
  `created` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
  `updated` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '修改时间',
  PRIMARY KEY (`user_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='账户表';

事务

MySQL事务是数据库管理系统执行过程中的一个逻辑单位，它由一组在数据库中执行的操作构成，这些操作要么全部执行，要么全部不执行，是一个不可分割的工作单位

示例

账户1和账户2进行100元交易

-- 开启事务
begin;

-- 账户1向账户2转100元
update test.account set amount = amount- 100 where user_id = 1 and amount > 100;

update test.account set amount = amount + 100 where user_id = 2;

-- 提交事务
commit ;

ACID特性

  • 原子性（Atomicity）：事务是一个原子操作单元，事务中的操作要么全部成功执行，要么全部失败回滚，以保证数据库状态的完整性。
  • 一致性（Consistency）：事务的执行必须使数据库从一个一致状态转换到另一个一致状态，满足所有业务规则和约束条件。
  • 隔离性（Isolation）：并发事务的执行不能相互干扰，每个事务在逻辑上都是独立的，以保证数据并发访问的正确性。
  • 持久性（Durability）：一旦事务提交成功，其对数据库所做的更改就是永久性的，即使系统发生故障也能恢复。

理论上在某个事务对某个数据进行访问时，其他事务应该进行排队，当该事务提交之后，其他事务才可以继续访问这个数据。但是这样子的话对性能影响太大，我们肯定希望能最大可能的并行处理更多的事务，那么事务并发执行会引入哪些问题呐？

事务并发执行会遇到的问题

脏写（Dirty Write）

如果 一个事务修改了另一个未提交事务修改过的数据 ，那就意味着发生了 脏写 ，示意图如下：
脏写示意图
发生时间编号Session ASession B
1 
begin;
2 
begin;
3 
update test.account set amount = 100 where user_id = 2;
4 
update test.account set amount = 200 where user_id = 2;
5 
commit ;
6 
rollback ;
如上图， Session A 和 Session B 各开启了一个事务， Session B 中的事务先将 user_id = 2 的记录中 amount 置为100   ，然后 Session B 中的事务将 user_id = 2 的记录中 amount 置为200   。如果之后 Session B 中的事务进行了回滚，那么 Session A 中的更新也将不复存在，这种现象就称
之为脏写，这时候Session A 就很懵逼，明明把amount 置为了200，也进行了提交，但是最后数据显示啥都没干  

脏读（Dirty Read）

如果 一个事务读到了另一个未提交事务修改过的数据 ，那就意味着发生了 脏读
脏读示意图
发生时间编号Session ASession B
1 
begin;
2 
begin;
3 
update test.account set amount = 300 where user_id = 2;
4 
select amount from test.account  where user_id = 2;

如果读到了amount = 300 则说明读到了脏读

5 
commit ;
6 
rollback ;
如上图， Session A 和 Session B 各开启了一个事务， Session B 中的事务先将 user_id = 2 的记录中 amount 置为300  ，如果 Session B 中的事务读取 user_id = 2 的记录中 amount为300 。而 Session B 中的事务进行了回滚，那么 Session A 中相当于读到了一个不存在的数据，这种现象就称 之为脏读

不可重复度（Non-Repeatable Read）

如果 一个事务只能读到另一个已经提交的事务修改过的数据，并且其他事务每对该数据进行一次修改并提交后，该事务都能查询得到最新值 ，那就意味着发生了 不可重复读
不可重复读示意图
发生时间编号Session ASession B
1 
begin;
2 
select amount from test.account  where user_id = 2;

此时读到的 amount 值为 100 

3 
update test.account set amount = 300 where user_id = 2;
4 
select amount from test.account  where user_id = 2;

如果此时读到的 amount 值为 300 ，说明发生了不可重复读

5 
update test.account set amount = 400 where user_id = 2;
6 
select amount from test.account  where user_id = 2;

如果此时读到的 amount 值为 400 ，说明发生了不可重复读

如上图，我们在 Session B 中提交了几个隐式事务（注意是隐式事务，意味着语句结束事务就提交了），这些事务都修改了 user_id = 2 的记录中 amount 的值 ，每次事务提交之后，如果 Session A 中的事务都可 以查看到最新的值，这种现象也被称之为 不可重复读 。

幻读（Phantom）

如果 一个事务先根据某些条件查询出一些记录，之后另一个事务又向表中插入了符合这些条件的记录，原先的事务再次按照该条件查询时，能把另一个事务插入的记录也读出来 ，那就意味着发生了 幻读
幻读示意图
发生时间编号Session ASession B
1 
begin;
2 
select count(*) from test.account where user_id > 0;

假设此时读到的数量为100

3 
insert into test.account (user_name, amount) values ("张三", 0);
4 
select count(*) from test.account where user_id > 0;

如果此时读到的数量为101，说明发生了幻读

如上图，在Session  A中开启事务后，进行一次查询，会返回此时的数据数量，之后通过Session B插入数据，然后再 通过 Session  A 进行一次查询，如果次数读取到的数量包含了 Session B插入的数据，说明发生了幻读

有的同学就会疑惑了，在 Session  A 的事务中，Session  B新增了数据会导致幻读现象，那么如果删除了数据呐，是不是也算幻读呐？这里需要明确的是这种现象不叫幻读，幻读强调的是在一个事务中相同条件下多次读取，后者读到了前者没有读到的数据，针对的是新增记录情况。如果针对数据进行了删除操作，这是对每一条被删除的数据都发生了不可重复读现象

事务的隔离级别

以上几个事务并发问题按照严重程度来排序，是以下顺序：

脏写 > 脏读 > 不可重复读 > 幻读

 针对事务并发执行遇到的这些问题，结合使用场景，舍弃部分隔离性，在sql标准中添加了四种隔离级别：

  • READ UNCOMMITTED ：未提交读。
  • READ COMMITTED ：已提交读。
  • REPEATABLE READ ：可重复读。
  • SERIALIZABLE ：可串行化。

隔离级别与事务并发问题可发生情况，具体如下：

隔离级别脏写脏读不可重复读幻读
READ UNCOMMITTEDFTTT
READ COMMITTEDFFTT
REPEATABLE READFFFT
SERIALIZABLEFFFF
也就是说：
  • READ UNCOMMITTED 隔离级别下，可能发生 脏读 、 不可重复读 和 幻读 问题。
  • READ COMMITTED 隔离级别下，可能发生 不可重复读 和 幻读 问题。
  • REPEATABLE READ 隔离级别下，可能发生 幻读 问题。
  • SERIALIZABLE 隔离级别下，各种问题都不可以发生。
MySQL 的默认隔离级别为 REPEATABLE READ

如何设置事务的隔离级别

通过SQL语句设置

我们可以通过下边的语句修改事务的隔离级别： 
SET [GLOBAL|SESSION] TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;

其中的 level 可选值有4个：

level: {
 REPEATABLE READ
 | READ COMMITTED
 | READ UNCOMMITTED
 | SERIALIZABLE
}
GLOBAL、SESSION 

这两个关键字可以对不同范围的事务产生不同的影响，也可以为空

GLOBAL

全局范围影响

用法：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;

影响范围：

  • 只对执行完该语句之后产生的会话起作用
  • 当前已经存在的会话无效
 SESSION

会话范围影响

用法：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;

影响范围：

  • 对当前会话的所有后续的事务有效
  • 该语句可以在已经开启的事务中间执行，但不会影响当前正在执行的事务
  • 如果在事务之间执行，则对后续的事务有效
无关键词

只对执行语句的下一个事务产生影响

用法：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;

影响范围：

  • 对当前会话的下一个将开启的事务有效
  • 下一个事务执行完，后续的事务将恢复默认隔离级别
  • 该语句不能在已开启的事务中执行，会报错
mysql> begin;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
ERROR 1568 (25001): Transaction characteristics can't be changed while a transaction is in progress
mysql>

服务器启动时设置

可以通过修改启动参数 transaction-isolation 的值 来修改mysql服务器的默认隔离级别。

比如启动时添加如下参数设置，那么MYSQL的默认隔离级别隔离级别就会从原来的

REPEATABLE READ 变成了 SERIALIZABLE 
--transaction-isolation=SERIALIZABLE

通过设置系统变量修改

可以通过修改系统变量transaction_isolation的方式来设置事务的隔离级别，详情见：

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/server-system-variables.html#sysvar_transaction_isolation

查看当前会话的默认隔离级别

mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'transaction_isolation';
+-----------------------+-----------------+
| Variable_name         | Value           |
+-----------------------+-----------------+
| transaction_isolation | REPEATABLE-READ |
+-----------------------+-----------------+
1 row in set (0.02 sec)

mysql>

或者

mysql> SELECT @@transaction_isolation;
+-------------------------+
| @@transaction_isolation |
+-------------------------+
| REPEATABLE-READ         |
+-------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql>

Innodb 不同事务隔离级别的实现方式

读未提交（Read Uncommitted）

  • 在这种隔离级别下，SELECT语句不会加锁，因此可能会读取到未提交事务修改的数据，即“读脏”。
  • 这是并发性最高但一致性最差的隔离级别，因为它允许读取到其他事务尚未提交的数据

串行化（Serializable）

  • 在这种隔离级别下，所有的SELECT语句都会被隐式地转化为SELECT ... IN SHARE MODE，这意味着如果有未提交的事务正在修改某些行，那么所有读取这些行的SELECT语句都会被阻塞。
  • 这是一致性最好的隔离级别，但并发性最差，因为它将事务完全串行化，从而避免了所有并发问题。
  • 在这种隔离级别下，UPDATE和DELETE操作也会与其他事务互斥，即同一时间只能有一个事务对这些数据进行修改。

可重复读（Repeated Read, RR）

  • 这是InnoDB的默认隔离级别。
  • 在这种隔离级别下，普通的SELECT语句使用快照读（snapshot read），这是一种不加锁的一致性读，底层使用MVCC来实现。
  • 加锁的SELECT（如SELECT ... IN SHARE MODE或SELECT ... FOR UPDATE）、UPDATE和DELETE等语句的锁策略取决于查询条件：
    • 如果在唯一索引上使用唯一的查询条件，那么会使用记录锁（record lock），而不会封锁记录之间的间隔。
    • 如果使用范围查询条件，那么会使用间隙锁（gap lock）和临键锁（next-key lock），以锁住索引记录之间的范围，避免范围间插入记录，从而避免产生幻影行记录和不可重复的读。

读提交（Read Committed, RC）

  • 这是互联网最常用的隔离级别。
  • 在这种隔离级别下，普通的SELECT语句也是快照读，但加锁的SELECT、UPDATE和DELETE等语句的锁策略与可重复读有所不同：
    • 除了在外键约束检查和重复键检查时会封锁区间外，其他时刻都只使用记录锁。
    • 这意味着其他事务的插入操作仍然可以执行，因此可能会导致读取到幻影记录。

总结

本篇讲述了引入事务隔离级别的原因，及事务隔离级别的查看和设置方式，事务隔离级别的底层实现逻辑描述需要更长篇幅，这里先做简述，后续会逐块展开讲解

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