[转载] 你真的明白事务的隔离性吗？

时间：2015-11-09 09:21:44 阅读：393 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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事务的隔离性

Inside君发现一些用户对MySQL InnoDB的锁机制完全不能接受，因为他们大多习惯于Oracle抑或是Microsoft SQL Server等数据库的Read Committed（简称RC）事务隔离级别。但正如Jim Gray在其旷世著作《Transaction Processing: Concepts and Techniques》一书中指出的那样，大部分的数据库其实并不符合真正隔离性（true isolation）的要求。本文将结合理论和工程，来讨论事务隔离性的要求。

面试时通常会问面试者事务ACID属性分别代表什么，甚至这已经成为网易数据库面试的标准题之一。据个人的观察，大多用户对于A、C、D属性的描述都没有太大的问题，但是Isolation这点，往往并不准确。这是因为用户通常认为数据库支持事务，那么它就应该符合ACID特性，也就符合隔离性的要求。

但让我们看看事务处理之父Jim Gray对事务隔离性的定义[1]：

Isolation: Concurrently executing transactions see the stored information as if they were running serially (one after another).

并发执行的事务能够看到存储的信息，好似事务之间是串行执行的。这里看似还是太理论，但是只要解决三个并发问题，事务间就不会有环（cycle），因此就能达到真正隔离性的要求。而这三个问题Jim Gray将其总结为Lost Update、Read Uncommitted、Unrepeatable Read：

技术分享

常见的RC隔离级别只解决了Lost Update和Read Uncommitted问题，并没有解决Unrepeatable Read问题，所以说RC并不符合隔离型的真正要求，从而在某些情况下可能会存在一些问题。这里Inside君通过MySQL数据库来举一个例子，假设表P有数据2、4、6，现在有两个事务T1、T2运行在RC事务隔离级别下，那么如果根据下面的步骤运行：

Time	T1	T2
\| \| \| \| \| \| V	BEGIN;
	DELETE FROM P WHERE a <= 6;
		BEGIN
		INSERT INTO P SELECT 3;
		COMMIT;
	COMMIT;

最终表P的数据只有3一条记录，数据库日志中记录的内容是：

INSERT INTO P SELECT 3;

DELETE FROM P WHERE a <= 6;

那么如果将上述日志传送到从机（slave）去执行，会发现从机中表P的记录数为0，也就是主从数据不一致了。而总结来看，是不是发生了并发执行的事务与串行执行的事务结果是不一样的，那么也就是说，这是不符合事务隔离性的要求。

那么在MySQL数据库中是如何解决这个问题的呢？如果事务的隔离级别是RC，必须将日志格式设置为ROW。这样的日志格式在Inside君看来，更接近于状态机机制，从而也就解决了不一致的问题。Oracle、Microsoft SQL Server数据库都是基于页的物理逻辑复制，所以也不存在这样的问题。但是从严格理论范畴的角度看，RC不符合事务真正隔离型的要求。

事务的隔离级别

数据库厂商们肯定知道隔离性的真正要求，然而他们在某种程度上做了妥协，从而产生了四个不同的隔离程度（isolation degree），Degree 0、Degree 1、Degree 2、Degree 3，分别允许Lost Update、Read Uncommitted、Unrepeatable Read的问题存在，而Degree 3才是真正符合隔离性的要求。

而ANS SQL标准没有从隔离程度进行定义，而是定义了事务的隔离级别，同时定义了不同事务隔离级别解决的三大并发问题：

*Isolation Level*	Dirty Read	Unrepeatable Read	Phantom Read
Read UNCOMMITTED	YES	YES	YES
READ COMMITTED	NO	YES	YES
READ REPEATABLE	NO	NO	YES
SERIALIZABLE	NO	NO	NO

从上表可以发现隔离级别和隔离性之间有着不同的含义。那为什么各个数据库厂商更倾向于选择RC事务隔离级别呢？因为通常来说，事务隔离级别越低，所需持有锁的时间也就越短，并发性能也就越好。

但是上述结论也不是一定的，Jim Gray在其书中也说过SERIALIZABLE的事务隔离级别在某些情况下可能会有更好的性能。在Inside君的《MySQL技术内幕：InnoDB存储引擎》一书中也有提及。那么有些认真的小伙伴就会来问，什么情况下，SERIALIZABLE事务隔离级别会有着更好的性能？这个在Inside君下篇文章中会具体说明，因为要说明白这个问题首先要解释锁的实现。

MySQL数据库的InnoDB存储引擎是支持事务的引擎，其默认事务隔离级别为REPEATABLE READ（简称RR）。ANSI SQL标准下RR事务隔离级别是Degree 2.9999的隔离性，但是与ANSI SQL标准不同的是，InnoDB存储引擎在RR的事务隔离级别下就解决了幻读问题，从而实现Degree 3的隔离性要求，从而达到了真正隔离性的要求。对比其他数据库，要达到真正的事务隔离性要求，必须将事务隔离级别设置为SERIALIZABLE。换句话说，MySQL InnoDB的默认事务隔离级别可以理解为其他数据库的SERIABLIZABLE级别。

然而，从严格意义上来说，InnoDB的RR事务隔离级别的实现与传统的SERIALIAZABLE事务隔离级别还是有些不一样，这导致在某些特定场景下会给用户有错愕抑或不能接受的感觉，比如唯一索引列在一个事务中允许重复值存在。不过这并不会破坏事务的一致性，只要理解InnoDB存储引擎的锁与MVCC的实现，其实有些怪异的现象都好理解。

SNAPSHOT事务隔离级别

经典的SERIALIAZABLE事务隔离级别采用严格的两阶段锁（strict two-phrase lock，简称：STPL）实现，这也是Jim Gray在书中提及的方法。但是由于读写都需要上锁，这样导致在大部分情况下事务的性能都不如类似RC这样的事务隔离级别。

为了解决性能问题，最近越来越多的数据库开始支持SNAPSHOT事务隔离级别(简称SI)，如Oracle、PostgreSQL、Microsoft SQL Server数据库等。SI事务隔离级别貌似解决了Dirty Read、Unrepeatable Read和Phantom Read问题。可惜的是，其依然不符合真正隔离性的要求，其存在write skew的异常问题。2008年的SIGMOD大会上[3]，有人提出了Serializable Snapshot Isolation（SSI），从而解决了之前SI事务隔离级别存在的问题。PostgreSQL9.1版本在此论文基础上实现了SSI事务隔离级别并做了相应的优化。此外，在2012年的VLDB大会上PostgreSQL发布了相应的论文[4]，有兴趣的读者可以继续研究。

基于快照的事务隔离级别（不论SI还是SSI）性能较之经典的SERIALIZABLE事务隔离级别提升非常多，但其存在两个问题不容忽视。一是其会导致“错误”的回滚，因为其策略就是保证正确，虽然有时可能会误杀一些没有问题的事务。二是对于大事务的支持需要额外的内存保证，如果修改的数据量特别大，那么这可能会导致内存溢出的问题发生。但不论怎么说，SSI可能都是未来的一个默认事务隔离级别发展的方向。期待MySQL数据库也能尽快支持。