引言
ACID是事務的特點也是必須的要求，只有保證ACID事務的執行才不會出錯，分別是原子性、一致性、隔離性和永續性。我們知道典型的MySQL事務是這樣執行的：
- start transaction 開啟事務
- commit 提交事務
- rollback 回滾事務
注意兩個預設機制：
- 如果沒有顯示開啟事務，每條SQL都是單獨的事務
- 自動提交機制
下面我們就來分析一下ACID是如何實現的？以及它和鎖機制、隔離級別的關係。
實現原理
1、原子性（Atomicity）
原子性就是說事務是一個不可分割的基本單位，其中的操作要麼全部執行，要麼都不執行，其實就是rollback的實現機制，原子性實現的原理是通過undo log。
undo log是邏輯日誌，它記錄的是每條sql。當事務對資料庫進行修改時，InnoDB 會生成對應的 undo log，如果事務執行失敗呼叫了rollback，便可以利用 undo log 中的資訊將資料回滾到修改之前的樣子。
對於每個 insert，回滾時會執行 delete。
對於每個 delete，回滾時會執行 insert。
對於每個 update，回滾時會執行一個相反的 update，把資料改回去。
2、永續性（Durability）
永續性是指事務一旦提交，它對資料庫的改變就應該是永久性的。接下來的其他操作或故障不應該對其有任何影響。重點就是如何保證資料庫當機資料不受影響。實現原理是通過redo log
要想深入瞭解redolog，需要事先了解MySQL的儲存引擎是怎麼從磁碟讀取資料，又是如何把資料刷回磁碟的？這裡以InnoDB為例，由於磁碟IO速度很慢，因此InnoDB不直接與磁碟打交道，而是通過Buffer Pool緩衝池，以此來加速讀和加速寫。
加速讀指的是讀取時會優先從Buffer Pool讀取，如果 Buffer Pool 中沒有，則從磁碟讀取後放入 Buffer Pool。
加讀寫指的是當向資料庫寫入資料時，會首先寫入 Buffer Pool，Buffer Pool 中修改的資料會定期重新整理到磁碟中，這一過程稱為刷髒。
但是如果buffer中儲存的資料還沒重新整理到磁碟資料庫就當機了，會造成資料永久丟失。於是引入redo log解決這個問題，原理是WAL，先寫log，再寫buffer，並且每次事務提交都會把redo log重新整理到磁碟。這個時候如果資料庫當機，也可以通過redo log的記錄恢復所有資料。
你可能會有的兩個疑問：
-
為什麼buffer pool中的資料要定期刷髒，如果每次事務提交都重新整理到磁碟，就不需要redo log
因為每次修改的資料隨機，buffer pool刷髒過程是隨機IO，速度很慢，而redo log是追加操作，資料都是連續的，屬於順序IO。第二個原因是刷髒都是以資料頁為單位的，一個小修改都要整頁寫入，而redo log中只包含真正修改的部分，無效IO減少。
-
redo log 和 bin log的關係，bin log是否與永續性有關？
完全無關，兩者的層次和維度都不相同。bin log是server端的，用於備份和恢復資料、主從複製等，而redo log是innodb特有的，用於保證異常情況下資料安全。當然redo log的二階段提交也是必要的，用來保證redo log和bin log的一致性。
3、隔離性（Isolation）
1. 引言
這是個重頭戲，涉及到很多方面的內容
隔離性指的是事物內部的操作與其他事務是隔離的，併發執行的事務之間不能互相干擾。不同的隔離級別事務併發程度也不相同，能解決的問題也不同。一般來說，隔離級別越高併發程度越低，因為要加不同的鎖。
MySQL隔離級別 -- 可能產生的問題：
- 讀未提交 -- 髒讀、不可重複讀、幻讀
- 讀已提交 -- 不可重複讀、幻讀
- 可重複讀 -- 幻讀
- 序列化 -- 無
先對各個級別加鎖情況做個介紹，讓你有個基本概念：
- 讀未提交級別：不需要加任何鎖，因此它的併發程度最高，但同時也會引發各種併發問題
- 讀已提交級別：讀不需要加鎖，但是寫需要加排它鎖/MVCC
- 可重複讀級別：有兩種不同的實現方式，一是悲觀鎖即讀加共享鎖，寫加排它鎖，這種方式併發程度低；二是樂觀鎖即MVCC，它的優勢是不加鎖，使用undo log和檢視的概念實現，併發程度高
- 序列化：讀加共享鎖，寫加排他鎖，讀寫互斥
可以看到，隨著隔離級別的提高，假的鎖也更多，併發程度自然更低。實際應用時要根據業務需求，選擇最合適的隔離級別。
其實隔離性本質上就是解決兩個問題：
-
(一個事務)寫操作對(另一個事務)寫操作的影響：只能通過鎖機制（當前讀，讀取最新資料）
-
(一個事務)寫操作對(另一個事務)讀操作的影響：目標就是不通過加鎖也能解決，目前最優解是MVCC（快照讀，不需要最新的資料）
2. 鎖的分類
接下來簡單介紹一下資料庫的鎖，可以從兩個維度進行分析：
一、從鎖範圍分，可以把鎖分為：全域性鎖、表級鎖、行級鎖，鎖的精度逐漸增加，鎖精度越高，需要同時鎖住的資料越少，併發程度越高
二、從鎖的作用分，可以把鎖分為：共享鎖（其他鎖只能讀不能寫）、排他鎖（其他鎖不能讀也不能寫），很明顯，共享鎖的併發程度更高
3. MVCC的實現原理
主要依靠資料的隱藏列(也可以稱之為標記位)和 undo log。其中資料的隱藏列包括了該行資料的版本號、刪除時間、指向 undo log 的指標等等。當讀取資料時，MySQL 可以通過隱藏列判斷是否需要回滾並找到回滾需要的 undo log，從而實現 MVCC。
在InnoDB中，會在每行資料後新增兩個額外的隱藏的值來實現MVCC，這兩個值一個記錄這行資料何時被建立，另外一個記錄這行資料何時過期（或者被刪除）。 在實際操作中，儲存的並不是時間，而是事務的版本號，每開啟一個新事務，事務的版本號就會遞增。 在可重讀Repeatable reads事務隔離級別下：
-
SELECT時，讀取建立版本號<=當前事務版本號，刪除版本號為空或>當前事務版本號。
- 1、InnoDB 只查詢版本早於當前事務版本的資料行(也就是資料行的版本必須小於等於事務的版本)，這確保當前事務讀取的行都是事務之前已經存在的，或者是由當前事務建立或修改的行
- 2、行的刪除操作的版本一定是未定義的或者大於當前事務的版本號，確定了當前事務開始之前，行沒有被刪除
符合了以上兩點則返回查詢結果。
-
INSERT時，儲存當前事務版本號為行的建立版本號
- InnoDB 為每個新增行記錄當前系統版本號作為建立 ID。
-
DELETE時，儲存當前事務版本號為行的刪除版本號
- InnoDB 為每個刪除行的記錄當前系統版本號作為行的刪除 ID。
-
UPDATE時，插入一條新紀錄，儲存當前事務版本號為行建立版本號，同時儲存當前事務版本號到原來刪除的行
這裡簡單做下總結：
-
insert 操作時 “建立時間”=DB_ROW_ID，這時，“刪除時間 ”是未定義的；
-
update 時，複製新增行的“建立時間”=DB_ROW_ID，刪除時間未定義，舊資料行“建立時間”不變，刪除時間=該事務的 DB_ROW_ID；
-
delete 操作，相應資料行的“建立時間”不變，刪除時間=該事務的 DB_ROW_ID；
-
select 操作對兩者都不修改，只讀相應的資料
4. 可重複讀的實現
快照讀（MVCC）
當你執行 begin 開啟事務之後，MySQL 會拍下像下圖這樣的快照：
- 當讀取的記錄的事務版本號小於當前事務版本號，並且不再活躍事務中，說明修改該記錄的事務已經被提交，此記錄可讀
- 當讀取的記錄的事務版本號大號當前事務版本號，說明修改該記錄的事務已經未提交，此記錄不可讀，通過undo log往前找，直到找到第一個 trx_id 等於或者小於自己事務 ID 的記錄為止
當前讀（間隙鎖）
與其他資料庫，MySQL資料庫的可重複讀可以解決幻讀問題，原理就通過間隙鎖，為某行記錄新增行鎖時同時為附近的記錄也新增行鎖，雖然這種實現方式很多時候會鎖住不需要鎖的區間。如下所示：
5. 讀已提交的實現
得益於MVCC，讀已提交的隔離級別也可以通過undo log+檢視的機制實現，避免頻繁加鎖
具體的實現方式是每執行一個SQL都要重新建立檢視，根據檢視各變數和記錄事務ID判斷此記錄可不可讀
為什麼要每條SQL都要重複建立檢視呢？因此讀已提交隔離級別下可以讀到其他事務已提交的事務，所以每條SQL執行前都要更新檢視中的活躍事務ID。
4、一致性（Consistency）
致性是指事務執行結束後，資料庫的完整性約束沒有被破壞，事務執行的前後都是合法的資料狀態。資料庫的完整性約束包括但不限於：實體完整性（如行的主鍵存在且唯一）、列完整性（如欄位的型別、大小、長度要符合要求）、外來鍵約束、使用者自定義完整性（如轉賬前後，兩個賬戶餘額的和應該不變）
可以說，一致性是事務追求的最終目標：前面提到的原子性、永續性和隔離性，都是為了保證資料庫狀態的一致性。此外，除了資料庫層面的保障，一致性的實現也需要應用層面進行保障。
總結
本文從事務的四大特性出發，結合日誌機制、鎖機制以及隔離級別，簡單梳理了事務四大特性ACID的實現原理以及它們之間的關係，其中最重要的是隔離性的實現，保護經典樂觀鎖MVCC以及檢視機制，希望能對你理解MySQL事務有一點幫助。
作者實力有限，若有錯誤之處，歡迎留言指出。最後祝大家中秋快樂！