一文帶你看通透，MySQL事務ACID四大特性實現原理

碼農談IT發表於2023-03-13
MySql


說起MySQL事務處理的四大特性，相信大家都可以張口就來：ACID！
那 MySQL是如何實現ACID的？每種特性的原理又是如何實現的？
今天，本文筆者主要探討MYSQL InnoDB引擎下的ACID實現原理，對事務、鎖以及隔離級別等內容統一進行回顧一下。

一文帶你看通透，MySQL事務ACID四大特性實現原理


1、ACID特性






  • 原子性（Atomicity）

單個事務，為一個不可分割的最小工作單元，整個事務中的所有操作要麼全部commit成功，要麼全部失敗rollback，對於一個事務來說，不可能只執行其中的一部分SQL操作，這就是事務的原子性。

  • 一致性(Consistency)

資料庫總是從一個一致性的狀態轉換到另外一個一致性的狀態。在前面的例子中， 一致性確保了，即使在執行第三、四條語句之間時系統崩潰，信用卡賬戶也不會損 失100塊，因為事務最終沒有提交，所以事務中所做的修改也不會儲存到資料庫中，保證資料一致性。

  • 隔離性(Isolation)

通常來說，一個事務所做的修改在最終提交以前，對其他事務是不可見（隔離）的。避免多個事務併發執行的時候不會互相干擾。

  • 永續性（Durability）

一旦事務提交，則其所做的修改就會永久儲存到資料庫中，之後的其他操作或故障都不會對事務的結果產生影響。

2、ACID 具體實現






  • 原子性：透過undolog來實現。
  • 永續性：透過binlog、redolog來實現。
  • 隔離性：透過（讀寫鎖+MVCC）來實現。
  • 一致性：MySQL透過原子性、永續性、隔離性最終實現資料一致性。

對MySQL來說，邏輯備份日誌（binlog）、重做日誌（redolog）、回滾日誌（undolog）、鎖技術 + MVCC就是MySQL實現事務的基礎。

2.1  原子性原理

事務通常是以BEGIN TRANSACTION 開始，以 COMMIT 或 ROLLBACK 結束。

  • COMMIT 表示提交，即提交事務的所有操作並持久化到資料庫中。
  • ROLLBACK表示回滾，即在事務中執行的過程中發生了某種故障，事務不能繼續執行，系統將事務中對資料庫所有已完成的操作全部撤銷，回滾到事務開始時的狀態，這裡的操作指對資料庫的更新操作（查詢操作忽略）。這時候需要用到 undolog 來進行回滾。

undolog：
每條資料變更（INSERT/UPDATE/DELETE/REPLACE）等操作都會生成一條undolog記錄，在SQL執行前先於資料持久化到磁碟。

  • insert語句，回滾時會執行 delete；
  • delete語句，回滾時會執行insert；
  • update語句，回滾時便執行相反的update，把資料改回來。

當事務需要回滾時，MySQL會根據回滾日誌對事務中已執行的SQL做逆向操作，比如 DELETE 一行資料的逆向操作就是再把這行資料 INSERT回去，其他操作同理。
undolog記錄事務開始前老版本資料，用於實現回滾，保證原子性，實現MVCC，會將資料修改前的舊版本儲存在undolog，然後行記錄有個隱藏欄位回滾指標指向老版本。

2.2 永續性原理

我們知道，MySQL表資料是持久化到磁碟中的，但如果所有操作都去操作磁碟，等併發上來了，那處理效率無法保證，因此引入了緩衝池(Buffer Pool)的概念，Buffer Pool 中包含了磁碟中部分資料頁的對映，可以當做快取來用；這樣當修改表資料時，我們把操作記錄先寫到Buffer Pool中，並標記事務已完成，等MySQL空閒時，再把更新操作持久化到磁碟裡，從而大大緩解了MySQL併發壓力。
MYSQL的永續性便是由redo log來保證。
redo log
是一種物理日誌，作用：會記錄事務開啟後對資料做的修改，crash-safe。

它類似於一個卸貨的小推車，我們若是每卸一件物品就拿著去入庫，那豈不是特浪費時間，若有一個小推車，我們將貨物首先存放在小推車，當推車滿了再往庫裡存，可以大大提升效率。
其實就是MySQL裡經常說到的WAL技術，WAL的全稱是Write-Ahead Logging，它的關鍵點就是先寫日誌，再寫磁碟，也就是先裝小推車，等不忙的時候再裝庫。

特性：空間一定，寫完後會迴圈寫，有兩個指標write pos指向當前記錄位置，checkpoint指向將擦除的位置，redolog相當於是個取貨小車，貨物太多時來不及一件一件入庫太慢了這樣，就先將貨物放入小車，等到貨物不多或則小車滿了或則店裡空閒時再將小車貨物送到庫房。用於crash-safe，資料庫異常斷電等情況可用redo log恢復。
以下只作瞭解：
寫入流程：先寫redo log buffer，然後wite到檔案系統的page cache，此時並沒有持久化，然後fsync持久化到磁碟
寫入策略：根據innodb_flush_log_at_trx_commit引數控制（innodb以事務的什麼提交方式重新整理日誌）

0——>事務提交時只把redo log留在redo log buffer
1——>將redo log直接持久化到磁碟（所以有個雙“1”配置，後面會講）
2——>只是把redo log寫到page cache

2.3 隔離性原理

MYSQL有四種隔離級別，用來解決存在的併發問題：髒讀、幻讀、不可重複讀。


一文帶你看通透，MySQL事務ACID四大特性實現原理

那麼不同隔離級別，隔離性是怎樣實現的呢？
一句話：鎖+MVCC。

鎖

  • 表鎖：讀鎖（不會阻塞其他執行緒的讀操作，阻塞寫操作）；寫鎖（讀寫操作都阻塞）

  • 行鎖：需要的時候加上，並不是馬上釋放，等事務提交才釋放，兩階段鎖協議

  • 鎖的型別

    • 間隙鎖-gap lock：鎖定區間範圍，防止幻讀，左開右開，只在可重複讀隔離級別下生效—|—為了阻止多個事務將記錄插入到同一範圍內，而這會導致幻讀問題的產生

    • 記錄鎖-record Lock：鎖定行記錄，索的索引，索引失效，為表鎖

    • 臨鍵鎖-next-key Lock：record lock+gap lock 左開右閉（解決幻讀）

  • 鎖的模式

    • select .... for update （持有寫鎖，別的不可加讀鎖，也不可加寫鎖）

    • select .... lock in share mode（持有讀鎖，別的可以再加讀鎖，不可加寫鎖）

    • 共享鎖-讀鎖-S鎖

    • 排他鎖-寫鎖-X鎖

    • 意向鎖：讀意向鎖+寫意向鎖

    • 自增鎖

  • 全域性鎖：全庫邏輯備份

  • 死鎖：兩個或多個事務在同一資源上相互佔用，並請求加鎖時，造成相互等待，無限阻塞

MVCC：實現多版本併發控制，實現原理：使用版本鏈+Read View

讀已提交和可重複讀實現原理就是MVCC Read View不同的生成時機。可重複讀只在事務開始時生成一個Read View，之後都用的這個；讀已提交每次執行前都會生成Read View。

2.4 一致性原理

一致性是事務追求的最終目標，前文所述的原子性、永續性和隔離性，其實都是為了保證資料庫狀態的一致性，資料庫中的增刪改操作，使資料庫不斷從一個一致性的狀態轉移到另一個一致性的狀態。

總結






事務該回滾的回滾，該提交的提交，提交後該持久化磁碟的持久化磁碟，該寫緩衝池的寫緩衝池+寫日誌。
對於資料可見性，透過四種隔離級別進行控制，使得庫表中的有效資料範圍可控，保證業務資料的正確性的前提下，進而提高併發程度，支撐服務高QPS的穩定執行，保證資料的一致性，這就是我們們說個不停的MySQL資料庫事務ACID四大特性。


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