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数据库事务与并发控制

概述​

在现代数据库系统中，事务和并发控制是确保数据一致性和完整性的关键机制。随着多用户、高并发访问的需求不断增加，如何正确处理事务和并发控制成为数据库设计和开发中的重要课题。本教程将详细介绍数据库事务的基本概念、ACID特性、并发控制的必要性、并发问题以及解决这些问题的方法。

事务的基本概念​

什么是事务？​

事务（Transaction）是数据库操作的一个逻辑单位，包含一组操作，这些操作要么全部执行成功，要么全部不执行。事务是数据库并发控制和恢复机制的基本单位。

事务的典型示例： 银行转账操作是事务的一个典型示例。假设用户A要向用户B转账1000元，这个操作包含两个步骤：

  1. 从用户A的账户中扣除1000元
  2. 向用户B的账户中增加1000元

这两个步骤必须作为一个整体来执行，要么全部成功，要么全部失败。如果只执行了第一步而没有执行第二步，那么用户A的账户会减少1000元，但用户B的账户不会增加，这就会导致数据不一致。

事务的ACID特性​

ACID是事务的四个重要特性，确保了数据库事务的可靠性和一致性。ACID是Atomicity（原子性）、Consistency（一致性）、Isolation（隔离性）和Durability（持久性）的缩写。

原子性（Atomicity）​

原子性指事务是一个不可分割的工作单位，事务中的操作要么全部成功，要么全部失败回滚。如果事务中的任何一个操作失败，整个事务都会被回滚到事务开始前的状态，好像事务从未执行过一样。

示例： 在银行转账的例子中，如果从用户A的账户扣除1000元成功，但向用户B的账户增加1000元失败，那么整个事务会回滚，用户A的账户也会恢复到转账前的状态。

一致性（Consistency）​

一致性指事务执行前后，数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态。一致性状态是指数据库中的数据满足完整性约束，如主键约束、外键约束、唯一性约束等。

示例： 在银行转账的例子中，转账前用户A和用户B的账户余额之和是某个值，转账后它们的余额之和应该保持不变，这就是一致性的体现。

隔离性（Isolation）​

隔离性指多个事务并发执行时，一个事务的执行不应该影响其他事务的执行。数据库系统通过隔离级别来控制事务之间的隔离程度。

示例： 如果有两个事务同时对同一个账户进行操作，隔离性确保每个事务都感觉自己是在独立地操作数据库，不会因为并发操作而导致数据不一致。

持久性（Durability）​

持久性指事务一旦提交，其结果应该永久保存在数据库中，即使系统崩溃，数据也不会丢失。数据库系统通常通过日志和备份来实现持久性。

示例： 当银行转账事务成功提交后，即使此时系统发生故障，当系统恢复后，用户A和用户B的账户余额也应该反映转账后的状态，而不是转账前的状态。

事务的状态​

一个事务在其生命周期中会经历以下几个状态：

  1. 活动状态（Active）：事务开始执行，正在进行操作。
  2. 部分提交状态（Partially Committed）：事务的所有操作都已执行完成，但尚未将结果持久化到数据库中。
  3. 提交状态（Committed）：事务成功完成，其结果已持久化到数据库中。
  4. 失败状态（Failed）：事务执行过程中遇到错误，无法继续执行。
  5. 中止状态（Aborted）：事务执行失败后，回滚到事务开始前的状态。

并发控制的必要性​

在多用户环境下，多个事务可能同时访问和修改数据库中的数据。如果没有适当的并发控制机制，可能会导致一系列问题，如脏读、不可重复读、幻读等。并发控制的目的是确保多个事务并发执行时，数据库仍然能够保持一致性和完整性。

并发问题​

脏读（Dirty Read）​

脏读是指一个事务读取了另一个未提交事务修改的数据。如果未提交事务后来回滚，那么已读取的数据就是无效的。

示例： 事务A修改了一行数据，但尚未提交。事务B读取了事务A修改后的数据。如果事务A随后回滚，那么事务B读取的数据就是脏数据。

不可重复读（Non-repeatable Read）​

不可重复读是指一个事务多次读取同一行数据，但由于其他事务的修改，每次读取的结果都不同。

示例： 事务A读取了一行数据。事务B修改了这行数据并提交。事务A再次读取同一行数据，发现数据已经发生了变化。

幻读（Phantom Read）​

幻读是指一个事务多次查询同一范围的数据，但由于其他事务的插入或删除操作，每次查询的结果集大小不同。

示例： 事务A查询了所有满足某个条件的行，返回了10行数据。事务B插入了几行满足该条件的数据并提交。事务A再次执行相同的查询，返回了15行数据，就像出现了幻觉一样。

丢失更新（Lost Update）​

丢失更新是指两个事务同时修改同一行数据，后提交的事务覆盖了先提交的事务的修改，导致先提交的事务的修改丢失。

示例： 事务A读取了一行数据，将其值增加1。同时，事务B也读取了同一行数据，将其值增加1。事务A先提交，事务B后提交。最终，该行数据的值只增加了1，而不是2，这就是事务A的更新丢失了。

并发控制的方法​

为了解决并发问题，数据库系统通常采用以下并发控制方法：

  1. 锁机制（Locking）：通过对数据对象加锁，限制其他事务对该数据对象的访问。
  2. 时间戳排序（Timestamp Ordering）：为每个事务分配一个唯一的时间戳，按照时间戳的顺序决定事务的执行顺序。
  3. 乐观并发控制（Optimistic Concurrency Control）：假设并发冲突很少发生，事务执行时不加锁，在提交时检查是否有冲突，如果有冲突则回滚事务。
  4. 多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control，MVCC）：为每个数据对象维护多个版本，事务可以访问数据对象的不同版本，从而避免锁竞争。

锁机制​

锁机制是最常用的并发控制方法，通过对数据对象加锁，限制其他事务对该数据对象的访问。锁机制可以分为不同的类型，根据锁的粒度和锁的模式进行分类。

锁的粒度​

锁的粒度是指被锁定的数据对象的大小。锁的粒度越小，并发度越高，但锁的开销也越大；锁的粒度越大，并发度越低，但锁的开销也越小。

行锁（Row Lock）​

行锁是指锁定数据库表中的某一行数据。行锁的粒度最小，并发度最高，但锁的开销也最大。

示例： 在MySQL的InnoDB存储引擎中，默认使用行锁。当一个事务修改表中的某一行数据时，只有该行被锁定，其他事务仍然可以修改表中的其他行数据。

页锁（Page Lock）​

页锁是指锁定数据库表中的某一页数据。页是数据库中的基本存储单位，通常包含多行数据。页锁的粒度比行锁大，并发度比行锁低，但锁的开销比行锁小。

示例： 在MySQL的BDB存储引擎中，使用页锁。当一个事务修改表中的某一页数据时，整个页被锁定，其他事务无法修改该页中的任何行数据。

表锁（Table Lock）​

表锁是指锁定整个数据库表。表锁的粒度最大，并发度最低，但锁的开销最小。

示例： 在MySQL的MyISAM存储引擎中，默认使用表锁。当一个事务修改表中的数据时，整个表被锁定，其他事务无法修改该表中的任何数据。

锁的模式​

锁的模式是指锁的类型，决定了锁对数据对象的访问限制。不同的数据库系统可能支持不同的锁模式，但常见的锁模式包括共享锁、排他锁和意向锁等。

共享锁（Shared Lock，S锁）​

共享锁允许事务读取数据对象，但不允许修改数据对象。多个事务可以同时对同一个数据对象持有共享锁。

示例： 当一个事务执行SELECT语句时，数据库系统会对查询的数据对象加共享锁，允许其他事务也读取这些数据对象，但不允许其他事务修改这些数据对象。

排他锁（Exclusive Lock，X锁）​

排他锁允许事务读取和修改数据对象，不允许其他事务读取或修改数据对象。一个数据对象只能被一个事务持有排他锁。

示例： 当一个事务执行UPDATE、DELETE或INSERT语句时，数据库系统会对操作的数据对象加排他锁，不允许其他事务读取或修改这些数据对象。

意向锁（Intention Lock）​

意向锁是表级锁，用于表示事务打算在表中的某一行或某些行上加锁。意向锁可以提高锁的检查效率，避免逐行检查锁的状态。

示例： 当一个事务打算对表中的某一行加共享锁时，它首先会对该表加意向共享锁（Intention Shared Lock，IS锁）。当一个事务打算对表中的某一行加排他锁时，它首先会对该表加意向排他锁（Intention Exclusive Lock，IX锁）。

死锁​

死锁是指两个或多个事务互相等待对方释放锁，导致所有事务都无法继续执行的情况。死锁是并发控制中常见的问题，需要采取措施来预防和解决死锁。

死锁的条件​

死锁的发生需要满足以下四个条件：

  1. 互斥条件：资源不能被共享，一次只能一个事务使用。
  2. 请求和保持条件：事务已经获得了一些资源，但又提出了新的资源请求。
  3. 不可剥夺条件：已获得的资源在使用完之前不能被强行剥夺。
  4. 循环等待条件：若干事务之间形成头尾相接的循环等待资源关系。

死锁的预防​

预防死锁的方法是破坏死锁的四个条件之一：

  1. 破坏互斥条件：允许资源被共享，但这在数据库系统中通常不可行，因为数据的一致性需要互斥访问。
  2. 破坏请求和保持条件：要求事务一次性申请所有需要的资源，或者在申请新资源之前释放已获得的资源。
  3. 破坏不可剥夺条件：允许系统强行剥夺事务已获得的资源，但这可能导致事务回滚，影响系统性能。
  4. 破坏循环等待条件：对资源进行排序，要求事务按照顺序申请资源。

死锁的检测和解决​

如果不采取预防死锁的措施，那么就需要检测和解决死锁：

  1. 死锁检测：数据库系统定期检查是否存在死锁。常用的死锁检测算法包括超时法和等待图法。

    • 超时法：如果一个事务等待的时间超过了预定的阈值，就认为发生了死锁。
    • 等待图法：构建一个事务等待图，其中节点表示事务，边表示事务之间的等待关系。如果等待图中存在环，就表示发生了死锁。

  2. 死锁解决：当检测到死锁时，需要选择一个事务作为牺牲品，回滚该事务，释放其持有的资源，从而解决死锁。选择牺牲品的策略包括最小代价策略、 oldest transaction strategy（最老事务策略）等。

事务隔离级别​

事务隔离级别是指多个事务并发执行时，一个事务对数据的修改对其他事务的可见性程度。不同的隔离级别对应不同的并发控制策略，也对应不同的并发问题解决程度。SQL标准定义了四个隔离级别：读未提交、读已提交、可重复读和串行化。

读未提交（Read Uncommitted）​

读未提交是最低的隔离级别，允许一个事务读取另一个未提交事务修改的数据。这种隔离级别会导致脏读、不可重复读和幻读问题。

示例：

-- 设置事务隔离级别为读未提交
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

-- 开始事务
BEGIN;

-- 读取数据（可能读取到未提交的数据）
SELECT * FROM accounts WHERE account_id = 1;

-- 提交事务
COMMIT;

读已提交（Read Committed）​

读已提交是指一个事务只能读取另一个已提交事务修改的数据。这种隔离级别可以解决脏读问题，但仍然可能导致不可重复读和幻读问题。

示例：

-- 设置事务隔离级别为读已提交
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

-- 开始事务
BEGIN;

-- 读取数据（只能读取到已提交的数据）
SELECT * FROM accounts WHERE account_id = 1;

-- 提交事务
COMMIT;

可重复读（Repeatable Read）​

可重复读是指一个事务多次读取同一行数据时，其结果都是一致的，不受其他事务的修改影响。这种隔离级别可以解决脏读和不可重复读问题，但仍然可能导致幻读问题。

示例：

-- 设置事务隔离级别为可重复读
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

-- 开始事务
BEGIN;

-- 第一次读取数据
SELECT * FROM accounts WHERE account_id = 1;

-- 第二次读取数据（结果与第一次相同，不受其他事务修改的影响）
SELECT * FROM accounts WHERE account_id = 1;

-- 提交事务
COMMIT;

串行化（Serializable）​

串行化是最高的隔离级别，要求事务串行执行，即一个事务执行完后，另一个事务才能开始执行。这种隔离级别可以解决脏读、不可重复读和幻读问题，但并发度最低。

示例：

-- 设置事务隔离级别为串行化
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

-- 开始事务
BEGIN;

-- 读取数据
SELECT * FROM accounts WHERE account_id = 1;

-- 提交事务
COMMIT;

各隔离级别与并发问题的关系​

隔离级别脏读不可重复读幻读
读未提交可能可能可能
读已提交不可能可能可能
可重复读不可能不可能可能（MySQL的InnoDB引擎通过MVCC解决了幻读）
串行化不可能不可能不可能

不同数据库的默认隔离级别​

  • MySQL（InnoDB引擎）：默认隔离级别是可重复读（Repeatable Read）
  • Oracle：默认隔离级别是读已提交（Read Committed）
  • SQL Server：默认隔离级别是读已提交（Read Committed）
  • PostgreSQL：默认隔离级别是读已提交（Read Committed）

多版本并发控制（MVCC）​

多版本并发控制（Multi-Version Concurrency Control，MVCC）是一种并发控制方法，通过为每个数据对象维护多个版本，允许事务访问数据对象的不同版本，从而避免锁竞争，提高并发度。MVCC在许多现代数据库系统中得到了广泛应用，如MySQL的InnoDB引擎、PostgreSQL、Oracle等。

MVCC的基本原理​

MVCC的基本原理是：当事务修改数据时，不直接覆盖原数据，而是创建一个新的数据版本，同时保留旧的数据版本。这样，其他事务在读取数据时，可以访问旧的数据版本，而不受修改事务的影响。当没有事务再需要旧的数据版本时，数据库系统会回收这些旧版本所占的空间。

MVCC的实现机制​

不同的数据库系统实现MVCC的机制可能有所不同，但通常包括以下几个方面：

版本号​

每个事务都有一个唯一的事务ID（Transaction ID），每个数据对象的每个版本都记录了创建该版本的事务ID和删除该版本的事务ID。

快照读和当前读​

  • 快照读（Snapshot Read）：读取数据的一个快照版本，不会加锁，是MVCC的主要实现方式。
  • 当前读（Current Read）：读取数据的最新版本，需要加锁，用于保证数据的一致性。

示例： 在MySQL的InnoDB引擎中，普通的SELECT语句是快照读，不会加锁；而SELECT ... FOR UPDATE、SELECT ... LOCK IN SHARE MODE、UPDATE、DELETE、INSERT等语句是当前读，需要加锁。

版本链​

数据对象的多个版本通过指针链接在一起，形成版本链。当事务需要读取数据时，数据库系统会根据事务的隔离级别和事务ID，在版本链中找到合适的版本。

可见性规则​

MVCC定义了一套可见性规则，用于确定一个事务能否看到某个数据版本。可见性规则通常基于事务ID和隔离级别。

示例： 在MySQL的InnoDB引擎中，当一个事务执行快照读时，它会根据自己的事务ID，在版本链中找到最大的事务ID小于等于自己事务ID的数据版本，并且该版本没有被标记为删除，或者删除该版本的事务ID大于自己的事务ID。

MVCC的优势​

MVCC相比传统的锁机制具有以下优势：

  1. 提高并发度：读操作不会阻塞写操作，写操作也不会阻塞读操作，大大提高了数据库的并发处理能力。
  2. 避免锁竞争：减少了锁的使用，避免了锁竞争，提高了系统性能。
  3. 实现可重复读：通过访问数据的快照版本，实现了可重复读隔离级别，解决了不可重复读问题。
  4. 提高读性能：读操作不需要加锁，提高了读操作的性能。

事务管理​

事务管理是指对事务的创建、提交、回滚等操作进行管理，确保事务的ACID特性。在SQL中，可以通过BEGIN、COMMIT、ROLLBACK等语句来管理事务。

显式事务和隐式事务​

显式事务​

显式事务是指通过BEGIN、COMMIT、ROLLBACK等语句显式地控制事务的开始、提交和回滚。

示例：

-- 开始事务
BEGIN;

-- 执行操作
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE account_id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE account_id = 2;

-- 提交事务
COMMIT;

-- 或者回滚事务
-- ROLLBACK;

隐式事务​

隐式事务是指数据库系统自动开始和结束事务，不需要显式地使用BEGIN、COMMIT、ROLLBACK等语句。在隐式事务模式下，每个SQL语句都是一个独立的事务，自动开始和提交。

示例：

-- 设置为隐式事务模式（不同数据库的设置方式可能不同）
-- MySQL
SET autocommit = 1;

-- 每个SQL语句都是一个独立的事务
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE account_id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE account_id = 2;

保存点（Savepoint）​

保存点是事务中的一个标记点，可以将事务回滚到该标记点，而不是回滚整个事务。保存点可以提高事务的灵活性，减少不必要的回滚操作。

示例：

-- 开始事务
BEGIN;

-- 执行操作1
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE account_id = 1;

-- 创建保存点
SAVEPOINT savepoint1;

-- 执行操作2
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE account_id = 2;

-- 发现操作2有误，回滚到保存点
ROLLBACK TO savepoint1;

-- 重新执行操作2
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE account_id = 3;

-- 提交事务
COMMIT;

事务的嵌套​

事务的嵌套是指在一个事务中开始另一个事务。不同的数据库系统对事务嵌套的支持程度不同。在支持事务嵌套的数据库系统中，内部事务的提交不会影响外部事务，只有当外部事务提交时，所有内部事务的结果才会被持久化到数据库中。

示例：

-- 开始外部事务
BEGIN;

-- 执行操作1
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE account_id = 1;

-- 开始内部事务
SAVEPOINT inner_transaction;

-- 执行操作2
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE account_id = 2;

-- 提交内部事务（实际是释放保存点）
RELEASE SAVEPOINT inner_transaction;

-- 提交外部事务
COMMIT;

总结​

事务和并发控制是数据库系统中的重要概念，确保了数据库在多用户、高并发环境下的数据一致性和完整性。本教程详细介绍了数据库事务的基本概念、ACID特性、并发控制的必要性、并发问题以及解决这些问题的方法，包括锁机制、事务隔离级别、多版本并发控制（MVCC）和事务管理等内容。

在实际的数据库设计和开发中，需要根据具体的业务需求和性能要求，选择合适的隔离级别和并发控制策略，以平衡数据一致性和系统性能。同时，也需要注意事务的设计和管理，确保事务的ACID特性，避免死锁等问题的发生。