MySQL 事务与 MVCC 机制

事务 (Transaction) 是数据库管理系统执行过程中的一个逻辑单位，由一个有限的数据库操作序列构成。它主要用于保证数据的一致性。

1. 事务的 ACID 特性

事务具有四个标准属性，通常称为 ACID 特性：

• 原子性 (Atomicity): 事务是一个不可分割的工作单位，事务中的操作要么都发生，要么都不发生。如果事务失败，所有已执行的操作都必须回滚到事务开始前的状态。InnoDB 通过 undo log 来实现原子性。
• 一致性 (Consistency): 事务必须使数据库从一个一致性状态变换到另一个一致性状态。事务执行的结果必须是使数据满足所有的约束（如主键约束、外键约束、业务规则等）。一致性是事务追求的最终目标，原子性、隔离性、持久性都是为了保证一致性。
• 隔离性 (Isolation): 事务的执行不受其他并发事务的干扰。事务隔离分为不同的级别，用于平衡隔离程度和并发性能。InnoDB 通过锁机制和 MVCC 来实现隔离性。
• 持久性 (Durability): 一个事务一旦提交，它对数据库中数据的改变就是永久性的，接下来的其他操作或故障不应对其有任何影响。InnoDB 通过 redo log 来保证持久性。

注意

事务支持是在存储引擎层实现的。并非所有 MySQL 存储引擎都支持事务，例如 MyISAM 就不支持。InnoDB 是支持事务的常用引擎。

2. 并发事务带来的问题

在多个事务同时执行时，如果没有有效的隔离机制，可能会出现以下问题：

• 脏读 (Dirty Read): 一个事务读取到了另一个未提交事务修改的数据。如果那个事务最终回滚，那么读取到的数据就是无效的“脏”数据。
• 不可重复读 (Non-Repeatable Read): 在同一个事务内，多次读取同一行数据，结果却不一样。通常是因为在事务执行期间，有其他事务提交了对该行数据的修改。侧重于修改。
• 幻读 (Phantom Read): 在同一个事务内，多次执行相同的范围查询，结果集中的行数不一样。通常是因为在事务执行期间，有其他事务插入或删除了满足查询条件的新行。侧重于新增或删除。

3. SQL 标准的事务隔离级别

SQL 标准定义了四种隔离级别，隔离级别越高，数据一致性越好，但并发性能越差：

1. 读未提交 (Read Uncommitted):
   • 最低级别，允许读取未提交的数据变更（脏读）。
   • 基本不使用。
2. 读提交 (Read Committed):
   • 一个事务只能读取到其他事务已经提交的数据变更。
   • 解决了脏读问题。
   • 每次 SELECT 都会创建新的快照 (Read View)，可能导致不可重复读和幻读。
   • Oracle、SQL Server 等数据库的默认隔离级别。
3. 可重复读 (Repeatable Read):
   • 保证在同一个事务中多次读取相同记录的结果是一致的。
   • 解决了脏读和不可重复读问题。
   • 事务启动时创建快照 (Read View)，整个事务期间都使用这个快照。
   • MySQL (InnoDB) 的默认隔离级别。
   • 理论上仍可能出现幻读，但 InnoDB 通过间隙锁 (Gap Lock) 机制在一定程度上解决了幻读问题（特别是在当前读场景下）。
4. 串行化 (Serializable):
   • 最高级别，强制事务串行执行。
   • 通过对所有读取的行都加读锁，对写入的行加写锁来实现。
   • 解决了脏读、不可重复读和幻读问题。
   • 并发性能极差，一般不使用。

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
读未提交	√	√	√
读提交	×	√	√
可重复读 (默认)	×	×	△
串行化	×	×	×

(√: 可能出现, ×: 不会出现, △: InnoDB 通过间隙锁部分解决)

4. MySQL 事务启动方式

• 显式启动:
  • START TRANSACTION 或 BEGIN。
  • 提交: COMMIT。
  • 回滚: ROLLBACK。
• 自动提交:
  • MySQL 默认开启 autocommit (SELECT @@autocommit; 查看，值为 1 表示开启)。每条 SQL 语句都被当作一个独立的事务自动提交。
  • 关闭自动提交: SET autocommit = 0;。之后需要手动执行 COMMIT 或 ROLLBACK。执行 SET autocommit = 1; 可恢复默认行为。

5. 多版本并发控制 (MVCC)

MVCC (Multi-Version Concurrency Control) 是 InnoDB 引擎用来实现在读提交 (RC) 和可重复读 (RR) 这两种隔离级别下，处理读写冲突时避免加锁，从而提高并发性能的一种机制。它使得在同一时刻，不同事务看到的可能是同一份数据的不同版本。

核心组件：

• 隐藏字段: InnoDB 会为每行数据添加几个隐藏字段：
  • DB_TRX_ID: 创建或最后修改该行数据的事务 ID。
  • DB_ROLL_PTR: 回滚指针，指向该行上一个版本的 undo log 记录。
  • DB_ROW_ID: 如果表没有主键且没有唯一非空索引，InnoDB 会自动生成一个隐藏的行 ID。
• Undo Log:
  • 记录数据被修改前的值。用于事务回滚和 MVCC。
  • 当事务修改数据时，会将旧版本数据存入 undo log，并通过 DB_ROLL_PTR 指针形成一个版本链。
• Read View (一致性视图):
  • 事务进行快照读（普通的 SELECT 语句）时，会基于当前数据库状态生成一个 Read View。它决定了事务能看到哪些版本的数据。
  • Read View 主要包含：
    • m_ids: 创建 Read View 时，当前活跃（未提交）的事务 ID 列表。
    • min_trx_id: m_ids 中的最小事务 ID。
    • max_trx_id: 创建 Read View 时，系统应该分配给下一个事务的 ID (即当前最大事务 ID + 1)。
    • creator_trx_id: 创建该 Read View 的事务 ID。
• 可见性判断规则: 当事务访问某行数据时，会根据该行记录的 DB_TRX_ID 和 Read View 进行比较，判断该版本是否可见：
  1. 如果 DB_TRX_ID < min_trx_id：表明该版本是在当前所有活跃事务之前就已经提交的，可见。
  2. 如果 DB_TRX_ID >= max_trx_id：表明该版本是在 Read View 创建之后才开启的事务生成的，不可见。需要沿着 undo log 链找到上一个版本，再进行判断。
  3. 如果 min_trx_id <= DB_TRX_ID < max_trx_id：
     • 若 DB_TRX_ID 在 m_ids 列表中：表明该版本是由 Read View 创建时还活跃的事务生成的，不可见。需要沿着 undo log 链找上一个版本。
     • 若 DB_TRX_ID 不在 m_ids 列表中：表明该版本是由 Read View 创建时已经提交的事务生成的，可见。
  4. 如果 DB_TRX_ID 等于 creator_trx_id：表明是当前事务自己修改的，可见。

MVCC 下的隔离级别实现

• 读提交 (RC): 每次 SELECT 语句执行时都会重新生成一个新的 Read View。这导致在同一个事务中，后续的 SELECT 可能会看到其他事务在此期间提交的修改，从而产生不可重复读。
• 可重复读 (RR): 事务启动后的第一个 SELECT 语句执行时（或者 START TRANSACTION WITH CONSISTENT SNAPSHOT 时）创建 Read View，并且整个事务期间都复用这个 Read View。这保证了事务期间读取到的数据版本总是一致的，避免了不可重复读。

快照读 vs 当前读

• 快照读 (Snapshot Read): 普通的 SELECT 语句（不加锁），读取的是 Read View 决定的数据版本，不加锁。
• 当前读 (Current Read): 读取数据库中最新的、已提交的版本，并对读取的记录加锁，保证其他并发事务不能修改这些记录。常见的当前读语句：
  • SELECT ... LOCK IN SHARE MODE (共享锁, S锁)
  • SELECT ... FOR UPDATE (排他锁, X锁)
  • INSERT, UPDATE, DELETE (排他锁, X锁) 在 RR 级别下，当前读需要使用记录锁 (Record Lock)、间隙锁 (Gap Lock) 或 Next-Key Lock (记录锁 + 间隙锁) 来防止幻读。

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