介紹弱隔離級(jí)別

為什么要有弱隔離級(jí)別

如果兩個(gè)事務(wù)操作的是不同的數(shù)據(jù)， 即不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系， 則它們可以安全地并行執(zhí)行。但是當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)事務(wù)修改數(shù)據(jù)而另一個(gè)事務(wù)同時(shí)要讀取該數(shù)據(jù)， 或者兩個(gè)事務(wù)同時(shí)修改相同數(shù)據(jù)時(shí)， 就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問題。

在應(yīng)用程序的開發(fā)中，我們通常會(huì)利用鎖進(jìn)行并發(fā)控制，確保臨界區(qū)的資源不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)行讀寫的情況，這其實(shí)就對(duì)應(yīng)了事務(wù)的最高隔離級(jí)別：可串行化。可串行化隔離意味著數(shù)據(jù)庫保證事務(wù)的最終執(zhí)行結(jié)果與串行 （即一次一個(gè)， 沒有任何并發(fā)） 執(zhí)行結(jié)果相同。

那么為什么應(yīng)用程序中可以提供可串行化的隔離級(jí)別，而數(shù)據(jù)庫卻不能呢？其實(shí)根本原因就是應(yīng)用程序?qū)εR界區(qū)大多是內(nèi)存操作，而數(shù)據(jù)庫要保證持久性（Durability），需要把臨界區(qū)的數(shù)據(jù)持久化到磁盤，可是磁盤操作比內(nèi)存操作要慢好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，一次隨機(jī)訪問內(nèi)存、 固態(tài)硬盤 和 機(jī)械硬盤，對(duì)應(yīng)的操作時(shí)間分別為幾十納秒、幾十微秒和幾十毫秒，這會(huì)導(dǎo)致持有鎖的時(shí)間變長，對(duì)臨界區(qū)資源的競爭將會(huì)變得異常激烈，數(shù)據(jù)庫的性能則會(huì)大大降低。

所以，數(shù)據(jù)庫的研究者就對(duì)事務(wù)定義了隔離級(jí)別這個(gè)概念，也就是在高性能與正確性之間做一個(gè)權(quán)衡，相當(dāng)于明確地告訴使用者，我們提供了正確性差一點(diǎn)但是性能好一點(diǎn)的模式，以及正確性好一點(diǎn)但是性能差一點(diǎn)的模式，使用者可以根據(jù)自己的業(yè)務(wù)場景來選擇一個(gè)合適的隔離級(jí)別。

弱隔離級(jí)別帶來的風(fēng)險(xiǎn)

弱隔離級(jí)別就是非串行化隔離級(jí)別。

較弱的隔離級(jí)別， 它可以防止某些并發(fā)問題，但并非全部的并發(fā)問題。

使用這些弱隔離級(jí)別，事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)異常情況，帶來一些難以捉摸的隱患，因此，我們需要了解弱隔離級(jí)別存在的并發(fā)問題以及如何防范存在的并發(fā)問題。 然后， 我們就可以使用所掌握的工具和方法來構(gòu)建正確、 可靠的應(yīng)用。

各種隔離級(jí)別

SQL-92 標(biāo)準(zhǔn)定義了 4 種事務(wù)的隔離級(jí)別：讀未提交（Read Uncommitted）、讀已提交（Read Committed）、可重復(fù)讀（Repeatable Read）和可串行化（Serializable），在后面的發(fā)展過程中，又增加了快照隔離級(jí)別（Snapshot Isolation）。

不同的弱隔離級(jí)別解決了不同的并發(fā)問題（正確性問題），同時(shí)也存在一些并發(fā)問題。

下面是各種隔離級(jí)別及對(duì)應(yīng)的并發(fā)問題：

• :heavy_check_mark:代表該隔離級(jí)別已解決該并發(fā)問題；
• :x:代表該隔離級(jí)別未解決該并發(fā)問題。
  

SQL 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隔離級(jí)別的定義還是存在一些缺陷，某些定義模棱兩可，不夠精確，且不能做到與實(shí)現(xiàn)無關(guān)，所以上面的表格只是對(duì)常見的隔離級(jí)別并發(fā)問題的定義，你可以把它當(dāng)成一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)參考。

當(dāng)你使用某一個(gè)數(shù)據(jù)庫時(shí)，需要讀一下它的文檔，確定好它的每一種隔離級(jí)別具體的并發(fā)問題。

• MySQL 的默認(rèn)隔離級(jí)別為：可重復(fù)讀。
• Oracle、PostgreSQL 的默認(rèn)隔離級(jí)別為：讀已提交
  

事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)，存在的并發(fā)問題

如果兩個(gè)事務(wù)操作的是不同的數(shù)據(jù)， 即不存在數(shù)據(jù)依賴關(guān)系， 則它們可以安全地并行執(zhí)行。但是當(dāng)出現(xiàn)某個(gè)事務(wù)修改數(shù)據(jù)而另一個(gè)事務(wù)同時(shí)要讀取該數(shù)據(jù)， 或者兩個(gè)事務(wù)同時(shí)修改相同數(shù)據(jù)時(shí)， 就會(huì)出現(xiàn)并發(fā)問題。

并發(fā)問題總結(jié)：

• 臟寫 ：一個(gè)事務(wù)覆蓋了其他事務(wù)尚未提交的寫入。
• 臟讀 ：一個(gè)事務(wù)讀到了其他事務(wù)尚未提交的寫入。
  
• 不可重復(fù)讀 ：一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次讀取同一個(gè)記錄的結(jié)果不一樣。
  
• 更新丟失 ：兩個(gè)事務(wù)同時(shí)執(zhí)行“讀－修改－寫回”操作序列，事務(wù) A 覆蓋了 事務(wù) B 的寫入，但又沒有包含 事務(wù) B 修改后的值，最終導(dǎo)致了部分更新數(shù)據(jù)發(fā)生了丟失。
  
• 幻讀 ：一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次讀取滿足指定條件的數(shù)據(jù)，讀出來的結(jié)果不一樣。
  
• 寫傾斜 ：事務(wù)首先查詢數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的結(jié)果而作出某些決定，然后修改數(shù)據(jù)庫。當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，支持決定的前提條件已不再成立。
  

臟寫

一個(gè)事務(wù)覆蓋了其他事務(wù)尚未提交的寫入。

臟讀

一個(gè)事務(wù)讀到了其他事務(wù)尚未提交的寫入。

舉例說明臟讀

事務(wù) B 修改了 x，在事務(wù) B 提交之前，事務(wù) A 讀到了 x 修改后的數(shù)據(jù)。這時(shí)事務(wù) B 回滾了，相當(dāng)于事務(wù) A 讀到了一個(gè)無效的數(shù)據(jù)（未實(shí)際提交到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)），事務(wù) A 的讀就是臟讀。

不可重復(fù)讀

一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次讀取同一個(gè)記錄的結(jié)果不一樣。（一個(gè)事務(wù)能夠讀到另一個(gè)事務(wù)對(duì)同一個(gè)記錄的修改）

舉例說明不可重復(fù)讀

事務(wù) A 讀取了 x，然后事務(wù) B 修改了 x 并提交。這時(shí)事務(wù) A 再次讀取 x，發(fā)現(xiàn)兩次讀取同一個(gè)記錄的結(jié)果不一樣，這就是不可重復(fù)讀。

更新丟失

兩個(gè)事務(wù)同時(shí)執(zhí)行“讀－修改－寫回”操作序列，事務(wù) A 覆蓋了 事務(wù) B 的寫入，但又沒有包含 事務(wù) B 的修改，最終導(dǎo)致了部分更新數(shù)據(jù)發(fā)生了丟失。

舉例說明更新丟失

事務(wù) A 先讀取某記錄，然后事務(wù) B 再讀取某記錄，事務(wù) B 修改并寫回，緊接著 事務(wù) A 修改并寫入。事務(wù) A 覆蓋了 事務(wù) B 的寫入，但又沒有包含 事務(wù) B 的修改，最終導(dǎo)致事務(wù) B 的更新丟失了。

幻讀

一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次讀取滿足指定條件的數(shù)據(jù)，讀出來的結(jié)果不一樣（一個(gè)事務(wù)能夠讀到另一個(gè)事務(wù)創(chuàng)建的滿足條件的記錄）

舉例說明幻讀

事務(wù) A 讀取一組滿足條件 1 的數(shù)據(jù)，之后事務(wù) B 創(chuàng)建了滿足條件 1 的數(shù)據(jù)，使其滿足條件 1 并提交，如果事務(wù) A 用相同的 條件 1 再次讀取，得到一組不同于第一次讀取的數(shù)據(jù)。這就叫幻讀。

不可重復(fù)讀和幻讀都是一個(gè)事務(wù)內(nèi)，多次執(zhí)行相同的查詢，結(jié)果不一樣。那兩者有什么區(qū)別呢？

• 幻讀 主要說的是，讀到了另一個(gè)事務(wù)的 insert 或者 update 的滿足條件的記錄
• 不可重復(fù)讀 主要說的是，讀到了另一個(gè)事務(wù)對(duì)同一個(gè)記錄的 update
  

寫傾斜

寫傾斜就是：事務(wù)首先查詢數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的結(jié)果而作出某些決定，然后修改數(shù)據(jù)庫。當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，支持決定的前提條件已不再成立。

如何防止并發(fā)問題

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了每一個(gè)隔離級(jí)別可能會(huì)出現(xiàn)的并發(fā)問題，如果當(dāng)前數(shù)據(jù)庫使用了某一個(gè)隔離級(jí)別，我們也知道這個(gè)隔離級(jí)別存在的并發(fā)問題，是否有辦法來避免并發(fā)問題呢？以及對(duì)于避免并發(fā)問題是如何實(shí)現(xiàn)的？

有些并發(fā)問題只能通過提升隔離級(jí)別來避免，接下來，我們就針對(duì)每一種并發(fā)問題一一討論。

防止臟寫

允許臟寫這種并發(fā)問題出現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫基本上是不可用的。因此所有的隔離級(jí)別都不允許出現(xiàn)臟寫這種并發(fā)問題。

防止“臟寫”就意味著，寫數(shù)據(jù)庫時(shí)， 只會(huì)覆蓋已成功提交的數(shù)據(jù)。

防止臟寫通常的方式是推遲第二個(gè)寫請求，直到前面的事務(wù)完成提交（或者中止）。

數(shù)據(jù)庫通常采用行級(jí)鎖來防止臟寫：如果兩個(gè)事務(wù)同時(shí)嘗試寫入同一個(gè)對(duì)象時(shí) ，以加鎖的方式來確保第二個(gè)寫入等待前面事務(wù)完成（包括中止或提交）。

這種鎖定是由處于讀已提交模式 （ 或更強(qiáng)的隔離級(jí)別） 的數(shù)據(jù)庫自動(dòng)完成的。

防止臟讀

防止 “臟讀”就意味著，讀數(shù)據(jù)庫時(shí)， 只能看到已成功提交的數(shù)據(jù)。

如果業(yè)務(wù)中不能接受臟讀，那么隔離級(jí)別要在“讀已提交”隔離級(jí)別或者以上。

當(dāng)有以下需求時(shí)，需要防止臟讀：

• 如果事務(wù)需要進(jìn)行多個(gè)操作更新多個(gè)對(duì)象，我們需要保證另一個(gè)事務(wù)或者應(yīng)用層要么看到所有操作執(zhí)行前的狀態(tài)，要么看到所有操作完成后的狀態(tài)，而不能看到部分操作完成的中間狀態(tài)。如果我們要提供這樣的保證，那么就必須防止臟讀。臟讀意味著另一個(gè)事務(wù)可能會(huì)看到部分更新， 而非全部，觀察到部分更新的數(shù)據(jù)可能會(huì)造成用戶的困惑。
• 如果事務(wù)發(fā)生中止，則所有寫入操作都需要回滾，那么就必須防止臟讀，避免用戶觀察到一些稍后被回滾的數(shù)據(jù)， 而這些數(shù)據(jù)實(shí)際并未實(shí)際提交到數(shù)據(jù)庫中。
  

防止臟讀的解決方案：

• 兩段鎖協(xié)議；
• 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的舊版本和新版本。
  

一種選擇是使用和防止臟寫相同的鎖，所有試圖讀取該對(duì)象的事務(wù)必須先申請鎖，事務(wù)完成后釋放鎖，從而確保不會(huì)發(fā)生讀取到一個(gè)臟的、 未提交的值。

然而， 加鎖的方式在實(shí)際中并不可行， 因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間較長的寫事務(wù)會(huì)導(dǎo)致許多只讀的事務(wù)等待太長時(shí)間， 這會(huì)嚴(yán)重影響只讀事務(wù)的響應(yīng)時(shí)間。應(yīng)用程序任何局部的性能問題會(huì)擴(kuò)散，進(jìn)而影響整個(gè)應(yīng)用，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

因此， 大多數(shù)數(shù)據(jù)庫采用了下面的方式來防止臟讀：對(duì)于每個(gè)待更新的對(duì)象， 數(shù)據(jù)庫都會(huì)維護(hù)對(duì)象的兩個(gè)版本（其舊值 和 當(dāng)前持鎖事務(wù)將要設(shè)置的新值）。在事務(wù)提交之前， 其他事務(wù)的讀操作都讀取舊值；僅當(dāng)寫事務(wù)提交之后， 才會(huì)切換到讀取新值。而 MySQL 使用了多版本并發(fā)控制來防止臟讀，多版本比兩個(gè)版本更加通用。

防止不可重復(fù)讀

防止“不可重復(fù)讀”就意味著，一個(gè)事務(wù)執(zhí)行過程中看到的數(shù)據(jù)，總是跟這個(gè)事務(wù)在啟動(dòng)時(shí)看到的數(shù)據(jù)是一致的。

不能忍受不可重復(fù)讀的場景：

備份場景 ：備份任務(wù)要復(fù)制整個(gè)數(shù)據(jù)庫，這可能需要花費(fèi)幾小時(shí)才能完成。在備份過程中，數(shù)據(jù)可以繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)庫。因此，備份里可能包含部分舊版本數(shù)據(jù)和部分新版本數(shù)據(jù)。 如果從這樣的備份進(jìn)行恢復(fù)，那么就導(dǎo)致了永久性的不一致。

如果業(yè)務(wù)中不能接受不可重復(fù)讀，那么隔離級(jí)別要在“可重復(fù)讀”隔離級(jí)別或者以上。

在 MySQL 種，可重復(fù)讀隔離級(jí)別即快照級(jí)別隔離。快照級(jí)別隔離的總體想法是：每個(gè)事務(wù)總是在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的一致性快照中讀取數(shù)據(jù)。

為了實(shí)現(xiàn)快照級(jí)別隔離， MySQL 數(shù)據(jù)庫采用了一種被稱為多版本并發(fā)控制（MultiVersion Concurrency Control，MVCC）的機(jī)制。

防止更新丟失

更新丟失可能發(fā)生在這樣一個(gè)操作場景中：應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫讀取某些值，根據(jù)應(yīng)用邏輯做出修改，然后寫回新值 （read-midify-write 過程）。當(dāng)有兩個(gè)事務(wù)在同樣的數(shù)據(jù)對(duì)象上執(zhí)行類似操作時(shí)，后一個(gè)寫操作并不包含前一個(gè)寫操作的修改，最終導(dǎo)致前一個(gè)寫操作的修改丟失。

更新丟失屬于寫事務(wù)并發(fā)沖突。

防止更新丟失，目前有多種可行的解決方案。

• 原子更新操作：許多數(shù)據(jù)庫提供了原子更新操作，以避免在應(yīng)用層代碼完成“讀－修改－寫回”操作序列，如果數(shù)據(jù)庫支持原子更新操作的話，通常這就是防止更新丟失最好的解決方案。
• 原子操作通常采用對(duì)讀取對(duì)象加獨(dú)占鎖的方式來實(shí)現(xiàn)，這樣在更新被提交之前其他事務(wù)不可以讀取它。
  

原子操作的另一種實(shí)現(xiàn)方式是：強(qiáng)制所有的原子操作都在單線程上執(zhí)行。這也是 Redis 防止更新丟失的解決方案

• 顯式的加鎖：既然原子操作采用對(duì)讀取對(duì)象加獨(dú)占鎖的方式來實(shí)現(xiàn)，那么我們也可以顯式的鎖定待更新的對(duì)象，使“讀－修改－寫回”操作序列串行執(zhí)行。例如使用 MySQL 的 select ...... for update;

原子更新操作和 顯式的加鎖 都是通過強(qiáng)制“讀－修改－寫回”操作序列串行執(zhí)行來防止丟失更新。

自動(dòng)檢測更新丟失 ：先讓“讀－修改－寫回”操作序列并發(fā)執(zhí)行，但如果事務(wù)管理器檢測到了更新丟失風(fēng)險(xiǎn)，則會(huì)中止當(dāng)前事務(wù)，并強(qiáng)制回退到安全的“讀－修改－寫回”方式。

比較并設(shè)置 ：先讓“讀－修改－寫回”操作序列并發(fā)執(zhí)行，如果讀取的內(nèi)容已經(jīng)發(fā)生了變化且值與“舊內(nèi)容”不匹配，則更新失敗，需要應(yīng)用層再次檢查并在必要時(shí)進(jìn)行重試。例如 update t1 set col1 = '新內(nèi)容' where id = 1 and col1 = '舊內(nèi)容';

自動(dòng)檢測更新丟失

PostgreSQL 的可重復(fù)讀， Oracle 的可串行化以及 SQL Server 的快照級(jí)別隔離等，都可以自動(dòng)檢測何時(shí)發(fā)生了更新丟失，然后會(huì)中止違規(guī)的那個(gè)事務(wù)。

但是， MySQL 中 InnoDB 存儲(chǔ)引擎的可重復(fù)讀卻并不支持自動(dòng)檢測更新丟失。

防止幻讀 & 寫傾斜

防止幻讀：

• 使用 可串行化隔離級(jí)別
• 在 MySQL 的 可重復(fù)讀隔離級(jí)別下，使用 select ...... for update;
  

使用可串行化隔離級(jí)別可以防止幻讀。

可串行化隔離通常被認(rèn)為是最強(qiáng)的隔離級(jí)別。使用可串行化隔離級(jí)別可以防止所有可能的競爭條件。

可串行化隔離保證即使事務(wù)可能會(huì)并行執(zhí)行，但最終的執(zhí)行結(jié)果與每次執(zhí)行一個(gè)事務(wù)（即串行執(zhí)行）的結(jié)果相同。

可串行化隔離級(jí)別的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方式：

• 實(shí)際串行執(zhí)行：
• 兩段鎖 + 索引區(qū)間鎖：將兩段鎖與索引區(qū)間鎖結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)可串行化隔離
  
• 可串行化快照隔離：（這個(gè)暫時(shí)還沒有了解）
  

MySQL 的可串行化隔離級(jí)別使用了第 2 種方法（兩段鎖 + 索引區(qū)間鎖）

寫傾斜就是：事務(wù)首先查詢數(shù)據(jù)，根據(jù)返回的結(jié)果而作出某些決定，然后修改數(shù)據(jù)庫。當(dāng)事務(wù)提交時(shí)，支持決定的前提條件已不再成立。寫傾斜可能發(fā)生在這樣一個(gè)操作場景中：

第一步 select：應(yīng)用程序從數(shù)據(jù)庫讀取一組滿足條件 1 的數(shù)據(jù)

第二步 決定：根據(jù)查詢的結(jié)果，應(yīng)用層代碼來決定下一步的操作（有可能繼續(xù)，或者報(bào)告錯(cuò)誤井中止）

第三步 寫入：如果應(yīng)用程序決定繼續(xù)執(zhí)行，它將發(fā)起數(shù)據(jù)庫寫入（insert，update 或 delete）并提交事務(wù)。

而第 3 步的這個(gè)寫操作會(huì)改變第 2 步做出決定的前提條件，如果兩個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行這樣的“讀取-決定-寫入”操作序列，那么后一個(gè)寫入改變了前一個(gè)寫入執(zhí)行的前提條件，導(dǎo)致出現(xiàn)意料之外的結(jié)果。

防止寫傾斜

對(duì)于寫傾斜問題，有幾種可能的解決方案：

只使用 可串行化隔離級(jí)別 即可避免寫傾斜（使用索引區(qū)間鎖，避免其他事務(wù)寫入滿足條件的行）

更改“讀取-決定-寫入”操作序列的執(zhí)行順序 為 “寫入-讀取-決定”：先寫入，然后 select 查詢并加獨(dú)占鎖（select ...... for update），最后根據(jù)查詢的結(jié)果來決定是否提交或者放棄。

實(shí)體化沖突，也稱物化沖突：有的業(yè)務(wù)場景 select 查詢的是不滿足給定搜索條件的行（例如 select * from t1 where id != 1）如果第 1 步的查詢根本沒有返回任何行，則 select ...... for update 也就無從加鎖，只能考慮實(shí)體化沖突。

本質(zhì)上這三種可能的解決方案都是對(duì)事務(wù)所依賴的行顯式的加鎖。

對(duì)于實(shí)體化沖突（物化沖突）的說明

如果問題的關(guān)鍵是查詢結(jié)果中沒有對(duì)象（空）可以加鎖，或許可以人為引人一些可加鎖的對(duì)象。這種方法稱為實(shí)體化沖突（或物化沖突），它把幻讀問題轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)數(shù)據(jù)庫中一組具體行的鎖沖突問題。

然而，弄清楚如何實(shí)現(xiàn)實(shí)體化往往也具有挑戰(zhàn)性，實(shí)現(xiàn)過程也容易出錯(cuò)，這種把一個(gè)并發(fā)控制機(jī)制降級(jí)為數(shù)據(jù)模型的思路總是不夠優(yōu)雅。出于這些原因，除非萬不得己，沒有其他可選方案，不推薦采用實(shí)體化沖突。