15丨初识事务隔离:隔离的级别有哪些,它们都解决了哪些异常问题?

上一篇文章中,我们讲到了事务的四大特性 ACID,分别是原子性、一致性、隔离性和持久性,其中隔离性是事务的基本特性之一,它可以防止数据库在并发处理时出现数据不一致的情况。最严格的情况下,我们可以采用串行化的方式来执行每一个事务,这就意味着事务之间是相互独立的,不存在并发的情况。然而在实际生产环境下,考虑到随着用户量的增多,会存在大规模并发访问的情况,这就要求数据库有更高的吞吐能力,这个时候串行化的方式就无法满足数据库高并发访问的需求,我们还需要降低数据库的隔离标准,来换取事务之间的并发能力。

有时候我们需要牺牲一定的正确性来换取效率的提升,也就是说,我们需要通过设置不同的隔离等级,以便在正确性和效率之间进行平衡。同时,随着 RDBMS 种类和应用场景的增多,数据库的设计者需要统一对数据库隔离级别进行定义,说明这些隔离标准都解决了哪些问题。

我们今天主要讲解事务的异常以及隔离级别都有哪些,如果你已经对它们有所了解,可以跳过本次章节,当然你也可以通过今天的课程快速复习一遍:

事务并发处理可能存在的三种异常有哪些?什么是脏读、不可重复读和幻读?

针对可能存在的异常情况,四种事务隔离的级别分别是什么?

如何使用 MySQL 客户端来模拟脏读、不可重复读和幻读?

事务并发处理可能存在的异常都有哪些?

在了解数据库隔离级别之前,我们需要了解设定事务的隔离级别都要解决哪些可能存在的问题,也就是事务并发处理时会存在哪些异常情况。实际上,SQL-92 标准中已经对 3 种异常情况进行了定义,这些异常情况级别分别为脏读(Dirty Read)、不可重复读(Nnrepeatable Read)和幻读(Phantom Read)。

脏读、不可重复读和幻读都代表了什么,我用一个例子来给你讲解下。比如说我们有个英雄表 heros_temp,如下所示:

这张英雄表,我们会记录很多英雄的姓名,假设我们不对事务进行隔离操作,那么数据库在进行事务的并发处理时会出现怎样的情况?

第一天,小张访问数据库,正在进行事务操作,往里面写入一个新的英雄“吕布”:

1
2
3

SQL> BEGIN;
SQL> INSERT INTO heros_temp values(4, '吕布');

当小张还没有提交该事务的时候,小李又对数据表进行了访问,他想看下这张英雄表里都有哪些英雄:

1
2

SQL> SELECT * FROM heros_temp;

这时,小李看到的结果如下:

你有没有发现什么异常?这个时候小张还没有提交事务,但是小李却读到了小张还没有提交的数据,这种现象我们称之为“脏读”。

那么什么是不可重复读呢?

第二天,小张想查看 id=1 的英雄是谁,于是他进行了 SQL 查询:

1
2

SQL> SELECT name FROM heros_temp WHERE id = 1;

运行结果:

然而此时,小李开始了一个事务操作,他对 id=1 的英雄姓名进行了修改,把原来的“张飞”改成了“张翼德”:

1
2
3

SQL> BEGIN;
SQL> UPDATE heros_temp SET name = '张翼德' WHERE id = 1;

然后小张再一次进行查询,同样也是查看 id=1 的英雄是谁:

1
2

SQL> SELECT name FROM heros_temp WHERE id = 1;

运行结果:

这个时候你会发现,两次查询的结果并不一样。小张会想这是怎么回事呢?他明明刚执行了一次查询,马上又进行了一次查询,结果两次的查询结果不同。实际上小张遇到的情况我们称之为“不可重复读”,也就是同一条记录,两次读取的结果不同。

什么是幻读?

第三天,小张想要看下数据表里都有哪些英雄,他开始执行下面这条语句:

1
2

SQL> SELECT * FROM heros_temp;

这时当小张执行完之后,小李又开始了一个事务,往数据库里插入一个新的英雄“吕布”:

1
2
3

SQL> BEGIN;
SQL> INSERT INTO heros_temp values(4, '吕布');

不巧的是,小张这时忘记了英雄都有哪些,又重新执行了一遍查询:

1
2

SQL> SELECT * FROM heros_temp;

他发现这一次查询多了一个英雄,原来只有 3 个,现在变成了 4 个。这种异常情况我们称之为“幻读”。

我来总结下这三种异常情况的特点:

脏读:读到了其他事务还没有提交的数据。

不可重复读:对某数据进行读取,发现两次读取的结果不同,也就是说没有读到相同的内容。这是因为有其他事务对这个数据同时进行了修改或删除。

幻读:事务 A 根据条件查询得到了 N 条数据,但此时事务 B 更改或者增加了 M 条符合事务 A 查询条件的数据,这样当事务 A 再次进行查询的时候发现会有 N+M 条数据,产生了幻读。

事务隔离的级别有哪些?

脏读、不可重复读和幻读这三种异常情况,是在 SQL-92 标准中定义的,同时 SQL-92 标准还定义了 4 种隔离级别来解决这些异常情况。

解决异常数量从少到多的顺序(比如读未提交可能存在 3 种异常,可串行化则不会存在这些异常)决定了隔离级别的高低,这四种隔离级别从低到高分别是:读未提交(READ UNCOMMITTED )、读已提交(READ COMMITTED)、可重复读(REPEATABLE READ)和可串行化(SERIALIZABLE)。这些隔离级别能解决的异常情况如下表所示:

你能看到可串行化能避免所有的异常情况,而读未提交则允许异常情况发生。

关于这四种级别,我来简单讲解下。

读未提交,也就是允许读到未提交的数据,这种情况下查询是不会使用锁的,可能会产生脏读、不可重复读、幻读等情况。

读已提交就是只能读到已经提交的内容,可以避免脏读的产生,属于 RDBMS 中常见的默认隔离级别(比如说 Oracle 和 SQL Server),但如果想要避免不可重复读或者幻读,就需要我们在 SQL 查询的时候编写带加锁的 SQL 语句(我会在进阶篇里讲加锁)。

可重复读,保证一个事务在相同查询条件下两次查询得到的数据结果是一致的,可以避免不可重复读和脏读,但无法避免幻读。MySQL 默认的隔离级别就是可重复读。

可串行化,将事务进行串行化,也就是在一个队列中按照顺序执行,可串行化是最高级别的隔离等级,可以解决事务读取中所有可能出现的异常情况,但是它牺牲了系统的并发性。

使用 MySQL 客户端来模拟三种异常

我在讲解这三种异常的时候举了一个英雄数据表查询的例子,你还可以自己写 SQL 来模拟一下这三种异常。

首先我们需要一个英雄数据表 heros_temp,具体表结构和数据,你可以从GitHub上下载 heros_temp.sql 文件。

你也可以执行下面的 SQL 文件,来完成 heros_temp 数据表的创建。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17

-- ----------------------------
-- Table structure for heros_temp
-- ----------------------------
DROP TABLE IF EXISTS `heros_temp`;
CREATE TABLE `heros_temp`  (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `name` varchar(255) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_general_ci NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE = InnoDB CHARACTER SET = utf8 COLLATE = utf8_general_ci ROW_FORMAT = Dynamic;

-- ----------------------------
-- Records of heros_temp
-- ----------------------------
INSERT INTO `heros_temp` VALUES (1, '张飞');
INSERT INTO `heros_temp` VALUES (2, '关羽');
INSERT INTO `heros_temp` VALUES (3, '刘备');

模拟的时候我们需要开两个 MySQL 客户端,分别是客户端 1 和客户端 2。

在客户端 1 中,我们先来查看下当前会话的隔离级别,使用命令:

1
2

mysql> SHOW VARIABLES LIKE 'transaction_isolation';

然后你能看到当前的隔离级别是 REPEATABLE-READ,也就是可重复读。

现在我们把隔离级别降到最低,设置为 READ UNCOMMITTED(读未提交)。

1
2

mysql> SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

然后再查看下当前会话(SESSION)下的隔离级别,结果如下:

因为 MySQL 默认是事务自动提交,这里我们还需要将 autocommit 参数设置为 0,命令如下:

1
2

mysql> SET autocommit = 0;

然后我们再来查看 SESSION 中的 autocommit 取值,结果如下:

接着我们以同样的操作启动客户端 2,也就是将隔离级别设置为 READ UNCOMMITTED(读未提交),autocommit 设置为 0。

模拟“脏读”

我们在客户端 2 中开启一个事务,在 heros_temp 表中写入一个新的英雄“吕布”,注意这个时候不要提交。

然后我们在客户端 1 中,查看当前的英雄表:

你能发现客户端 1 中读取了客户端 2 未提交的新英雄“吕布”,实际上客户端 2 可能马上回滚,从而造成了“脏读”。

模拟“不可重复读”

我们用客户端 1 来查看 id=1 的英雄:

然后用客户端 2 对 id=1 的英雄姓名进行修改:

这时用客户端 1 再次进行查询:

你能发现对于客户端 1 来说,同一条查询语句出现了“不可重复读”。

模拟“幻读”

我们先用客户端 1 查询数据表中的所有英雄:

然后用客户端 2,开始插入新的英雄“吕布”:

这时,我们再用客户端 1 重新进行查看:

你会发现数据表多出一条数据。

如果你是初学者,那么你可以采用 heros_temp 数据表简单模拟一下以上的过程,加深对脏读、不可重复读以及幻读的理解。对应的,你也会更了解不同的隔离级别解决的异常问题。

总结

我们今天只是简单讲解了 4 种隔离级别,以及对应的要解决的三种异常问题。我会在优化篇这一模块里继续讲解隔离级别以及锁的使用。

你能看到,标准的价值在于,即使是不同的 RDBMS 都需要达成对异常问题和隔离级别定义的共识。这就意味着一个隔离级别的实现满足了下面的两个条件:

正确性:只要能满足某一个隔离级别,一定能解决这个隔离级别对应的异常问题。

与实现无关:实际上 RDBMS 种类很多,这就意味着有多少种 RDBMS,就有多少种锁的实现方式,因此它们实现隔离级别的原理可能不同,然而一个好的标准不应该限制其实现的方式。

隔离级别越低,意味着系统吞吐量(并发程度)越大,但同时也意味着出现异常问题的可能性会更大。在实际使用过程中我们往往需要在性能和正确性上进行权衡和取舍,没有完美的解决方案,只有适合与否。

今天的内容到这里就结束了,你能思考一下为什么隔离级别越高,就越影响系统的并发性能吗?以及不可重复读和幻读的区别是什么?

欢迎你在评论区写下你的思考,也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事。