滩之南

Sql事务有原子性、一致性、隔离性、持久性四个基本特性，要实现完全的ACID事务，是以牺牲事务的吞吐性能作为代价的。在有些应用场景中，通过分析业务数据读写，使得可以降低事务的隔离性，容忍相应出现的数据一致性问题，实现事务的高并发、高吞吐、低时延性，这是sql事务优化的最佳实践。本文对sql标准中隔离性级别定义和可能会出现的问题进行一一介绍，最后通过Mysql数据库进行相应的演示。

1. Sql事务特性

业界常用字母缩写ACID描述Sql事务的四个基本特性，这四个字母分别代表为，

• Atomicity 原子性
• Consistency 一致性
• Isolation 隔离性
• Durability 持久性

下面对这四个特性进行介绍，

1. 原子性：在一个事务中sql的操作，要不成功提交，要不回滚。当一个事务对数据库有做多项改动，这些改动要不全部一起提交进入数据库，要不就全部回滚，数据库无变化。
2. 一致性：在事务执行的过程中，数据库一直保持一致性的状态，无论事务是否成功提交或者回滚，或者事务在执行中。当一个事务改动了多个表的记录，查询时要不看到所有变化后的新记录，要不就看到变化前的老记录，不会出现查询出新老记录混合出现的场景。
3. 隔离性：各个事务之间相互隔离，互不影响，隔离性是通过数据库锁机制实现。要说明的是，隔离性是相对的，在数据库使用过程中，为了实现高并发，会降低事务之间的隔离性，并牺牲一定的数据一致性。更详细的讨论见下文。
4. 持久性：事务的执行结果具有持久性，一旦事务提交后，其结果将被安全持久化到存储设备上，无论遇到电力中断、系统崩溃、关机、或者其它潜在威胁。

这四个特性中，原子性是事务最基本的特性，现代数据库都支持完整的原子性事务，而对于一致性、隔离性、持久性，在面对高可用性、高并发、高吞吐时会进行相应的取舍。

2. Sql事务特性：原子性

原子性是事务最基本的特性，根据其定义可以知道事务的执行分为三个阶段，

• uncommitted 未提交，当前事务在执行中。
• commited 已提交，当前事务做的改动被数据库接受，已安全持久化到数据库存储中。
• rollback 已回滚，当前事务所做的操作被撤销，对数据库无改动。

一个执行中的事务只能以commited/rollback两者状态之一作为结束。

3. Sql事务特性：一致性、并发性和隔离性

数据库事务中，保持数据一致性是需要代价的，若要保证绝对一致性，则相关联的事务只能以串行执行（serializability），这是一种严格的隔离方式。在这种隔离方式下，有数据关联性的几个事务操作，只能一个一个按顺序执行，事务的并发被完全限制，数据库的事务吞吐将大为降低，一个写入操作甚至会被一个只读查询操作阻塞，等待读操作完成之后才可以进行下一步写操作。

在有些通用场景中，对读数据的准确性和时效性要求没有那么高，但希望有高吞吐量，能快速获取查询结果，在数据库操作高并发的同时，实现低时延性、快速的响应。为了实现这个目的，数据库专家提出了不同的数据隔离性级别，通过降低事务的隔离性，从而使得数据库的并发吞吐能够获得最佳的效率。

在sql-1992标准中，对数据库实现的隔离级别和隔离性提出了相关的规范定义，其中隔离级别包括四种，隔离性按低往高排序分别为，

• READ UNCOMMITTED 读未提交：可以允许读未提交的事务数据
• READ COMMITTED 读提交：只允许读已提交的事务数据
• REPEATABLE READ 可重复读：保证读取的数据不会出现不一致的情况
• SERIALIZABLE 串行：保证数据读取和写入的绝对一致性

现代数据库基本都实现了上述四个级别的事务隔离配置，供不同场景下使用。

4. Sql隔离级别和问题

鱼和熊掌不可兼得，面对隔离性和数据一致性，便是这样的选择题。追求高并发吞吐，必然低隔离性，数据一致性问题则愈严重。了解sql不同隔离级别定义和相应会出现的一致性问题，是进行隔离性级别优化选择的前提。

下表对Sql隔离级别和问题进行简要说明（依据sql-1992标准），

上表中，有列出三种数据不一致的问题，

• 脏读
• 不可重复读
• 幻读

下面对这三个问题一一进行讲解，然后给出mysql数据库中的三种问题的演示。

4.1 脏读

在一个事务T1中对某个数据记录进行了修改。若在事务T1提交之前，T2中此刻读取这个数据记录，随后T1进行了回滚操作，则T2将读取到一个未提交的无效数据。这个问题就叫做脏读。

脏读的问题在于，读取到错误的、无效的数据。

4.2 不可重复读

在一个事务T1中读取了某个数据记录，若此时事务T2对这个数据记录进行了修改和删除并提交，随后T1再尝试重复读取同一数据记录，这个时候T1发现数据有变化（或者发现已经不存在）。这种在一个事务中，重复读取数据却获取到不一致的查询结果，就叫做不可重复读的问题。

不可重复读主要问题在于，在一个事务中同一数据记录多次读取，会有前后不一致的问题（尽管前后读取的数据都是准确的）。

4.3 幻读

在一个事务T1中读取了一系列满足指定查询条件的数据记录，若此时事务T2执行一些操作，若T2操作会更新某些数据记录，而这些数据记录刚好落入T1事务中的查询条件，则当T1再次读取同一查询条件的数据记录，发现数据记录有不一样。

幻读的主要问题在于，在一个事务中数据记录读取的准确性依赖查询条件，其数据集合是当前事务所涉及的数据记录的超集。

4.4 不可重复读和幻读的区别

一个常见的疑问是，不可重复读和幻读的区别。从事务的控制角度，不可重复读针对的是当前事务所操作的数据记录，幻读针对的是符合当前事务查询条件的所有数据记录，后者是前者的超集。从解决方案来说，对于不可重复读的问题，只要锁住当前事务操作的数据记录即可，或者读取快照，两种方法都可以有效地避免前后读取不一致的问题；而对于幻读，则需要锁住所有符合查询条件的记录，其范围是无限扩大的，有时候甚至需要锁住整张表。

举个例子来说，下面的sql语句，将状态为NEW的记录进行更新，若表中符合NEW状态的记录有5个，

update `order` set `status`='PAID' where `status`='NEW';

则，

• 要解决不可重复读的问题，只要锁住当前表中那5条记录即可，或者留存快照，当前事务不受其它事务影响即可。
• 要解决幻读的问题，则要锁住所有可能出现NEW状态的其它事务操作，包括插入和更新操作。解决幻读问题，本质问题是需要了解其它事务对数据库的更新变化，一旦发现对当前事务有影响，则对外部其它事务进行阻塞，保证当前事务的优先执行权。

5. 演示

下面通过Mysql演示Sql的不同隔离级别和出现的问题，演示中使用的Mysql版本为5.7.16。

5.1 准备工作

在数据库中，执行如下语句，创建测试数据库和表order。

CREATE SCHEMA IF NOT EXISTS `test` DEFAULT CHARACTER SET utf8mb4;
DROP TABLE IF EXISTS `test`.`order` ;

CREATE TABLE IF NOT EXISTS `test`.`order` (
  `id` BIGINT(20) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` VARCHAR(64) NOT NULL DEFAULT '未知',
  `quantity` INT NOT NULL DEFAULT '0',
  `price` DOUBLE NOT NULL DEFAULT '0.0',
  `status` VARCHAR(64) NOT NULL DEFAULT 'NEW' COMMENT '订单状态：NEW-新订单，PAID-订单已付，CLOSE-订单结束',
  `date` DATETIME NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`))
ENGINE = InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COMMENT='订单';

INSERT INTO `test`.`order` (`id`, `name`, `quantity`, `price`, `status`) VALUES ('1', 'apple', '1', '5.0', 'NEW');
select * from `test`.`order`;

下面是一些基本的sql事务查询语句，

• 查询事务：SELECT * FROM information_schema.INNODB_TRX\G;
• 查询当前隔离级别：select @@tx_isolation;
• 设置当前隔离级别：set session transaction isolation level read uncommitted;

演示中会启动两个sql连接，分别为session1和session2，方便演示两个session之间的相互影响。

5.2 事务的原子性

事务的提交，

start transaction;
update `test`.`order` set `price`='7.0' where `id`='1';
commit;

事务的回滚，回滚后数据的修改被撤销，

start transaction;
update `test`.`order` set `price`='8.0' where `id`='1';
rollback;

5.3 事务的脏读

请按照下表执行相应的演示步骤，

其中，

• session-1 中在第2步设置了隔离级别为：读未提交。
• session-1 中在第7步读取到的数据为session-2中未提交的数据，之后session-2在第8步进行了回滚，使得该数据失效。

请见session-1的输出，

mysql> set session transaction isolation level read uncommitted;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> start transaction;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     7 | NEW    | 2018-09-13 22:44:29 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |    10 | NEW    | 2018-09-13 22:46:49 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     7 | NEW    | 2018-09-13 22:44:29 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> commit;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

可以看到在session-1中第7步第二次查询时，获得了无效的数据，这就是脏读。解决脏读，可以提高隔离级别到：读已提交。

set session transaction isolation level read committed;

请见接下来的演示。

5.4 事务的不可重复读

请按照下表执行相应的演示步骤，

其中，

• session-1 中在第2步设置了隔离级别为：读已提交。
• session-1 中在第9步读取到的数据为session-2中已提交的数据，该数据和前两次查询的数据不一致。

请见session-1的输出，

mysql> set session transaction isolation level read committed;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> start transaction;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     7 | NEW    | 2018-09-13 22:44:29 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     7 | NEW    | 2018-09-13 22:44:29 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * from `order`;
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |    11 | NEW    | 2018-09-13 22:52:45 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> commit;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

可以看到在session-1中第9步第三次查询时，获得了不一致的数据，这就是不可重复读的问题。解决不可重复读，可以提高隔离级别到：可重复读。

set session transaction isolation level repeatable read;

请见接下来的演示。

5.5 幻读

请按照下表执行相应的演示步骤，

其中，

• session-1 中在第2步设置了隔离级别为：可重复读。
• session-1 中在第6步读取到NEW状态的数据记录为一条。
• session-1 中在第7步更新了NEW状态的数据记录，状态设置为PAID。
• session-1 中在第8步查询更新结果，发现实际上更新操作影响了两条数据记录。

请见session-1的输出，

mysql> start transaction;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from `order` where `status`='new';
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     5 | NEW    | 2018-09-14 17:20:24 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * from `order` where `status`='new';
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     5 | NEW    | 2018-09-14 17:20:24 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> update `order` set `status`='PAID' where `status`='NEW';
Query OK, 2 rows affected (0.00 sec)
Rows matched: 2  Changed: 2  Warnings: 0

mysql> select * from `order` where `status`='PAID';
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
| id | name  | quantity | price | status | date                |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
|  1 | apple |        1 |     5 | PAID   | 2018-09-14 17:22:18 |
|  2 | apple |        0 |     0 | PAID   | 2018-09-14 17:22:18 |
+----+-------+----------+-------+--------+---------------------+
2 rows in set (0.00 sec)

mysql> commit;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

可以看到在session-1中第7步进行更新操作时，更新了当前事务并未看见的另外一条数据记录，这就是幻读所面临的问题。解决幻读问题，可以提高隔离级别到：串行。

set session transaction isolation level serializable;

若在上述演示中，在session-1中的第2步设置隔离级别为串行，则session-2中的第5步insert操作会被阻塞，直到session-1完成事务。

6. 小结

保证绝对的数据一致性，是以并发吞吐的下降为代价的。在很多时候，牺牲一定的隔离性，在有些应用场景下可以容忍一定的数据不一致问题，从而保障高并发的需求。了解sql隔离级别定义和相应会出现的问题，是进行隔离性级别优化选择的前提，根据不同的应用场景，选择合适的隔离级别，是数据库性能调优的重要手段。

7. 参考资料

1. sql1992规范
2. sql2011规范
3. Mysql 8.0用户手册 - ACID
4. Mysql 8.0用户手册 - 15.5.2.1 Transaction Isolation Levels
5. SqlServer 2017用户手册 - Transaction Isolation Levels
6. Oracle Database - Data Concurrency and Consistency
7. wiki 文档 - sql standard