mysql 事务的实现原理

怼烎@ 2023-06-18 09:54 20阅读 0赞

> 相信大家都用过事务以及了解他的特点，如原子性(Atomicity),一致性(Consistency),隔离型(Isolation)以及持久性(Durability)等。  
> 　  
> 　今天想跟大家一起研究下事务内部到底是怎么实现的，在讲解前我想先抛出个问题：  
> 　**事务想要做到什么效果？**  
> 　  
> 　按我理解，无非是要做到可靠性以及并发处理  
> 　　  
> 　下面我首先讲实现事务功能的三个技术，分别是日志文件(redo log 和 undo log)，锁技术以及MVCC，然后再讲事务的实现原理，包括原子性是怎么实现的，隔离型是怎么实现的等等。最后在做一个总结，希望大家能够耐心看完

*  redo log与undo log介绍
 *  mysql锁技术以及MVCC基础
 *  事务的实现原理
 *  总结

--------------------

### 一、 redo log 与 undo log介绍 ###

**1. redo log**

> 什么是redo log ?  
> 　  
> **redo log叫做重做日志，是用来实现事务的持久性。**

该日志文件由两部分组成：重做日志缓冲（redo log buffer）以及重做日志文件（redo log）,前者是在内存中，后者在磁盘中。当事务提交之后会把所有修改信息都会存到该日志中。假设有个表叫做tb1(id,username) 现在要插入数据（3，ceshi）  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70]

> start transaction;　  
> select balance from bank where name=“zhangsan”;  
> // 生成 重做日志 balance=600  
> update bank set balance = balance - 400;  
> // 生成 重做日志 amount=400  
> update finance set amount = amount + 400;  
> commit;

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**redo log 有什么作用？**

mysql 为了提升性能不会把每次的修改都实时同步到磁盘，而是会先存到Boffer Pool(缓冲池)里头，把这个当作缓存来用。然后使用后台线程去做缓冲池和磁盘之间的同步。

**那么问题来了，如果还没来的同步的时候宕机或断电了怎么办？还没来得及执行上面图中红色的操作。这样会导致丢部分已提交事务的修改信息！**

所以引入了redo log来记录已成功提交事务的修改信息，并且会把redo log持久化到磁盘，系统重启之后在读取redo log恢复最新数据。

**总结：**

> redo log是用来恢复数据的 用于保障，已提交事务的持久化特性

**2.undo log**

> 什么是 undo log ？  
> 　  
> **undo log 叫做回滚日志，用于记录数据被修改前的信息。**

他正好跟前面所说的重做日志所记录的相反，重做日志记录数据被修改后的信息。undo log主要记录的是数据的逻辑变化，为了在发生错误时回滚之前的操作，需要将之前的操作都记录下来，然后在发生错误时才可以回滚。

还用上面那两张表![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
每次写入数据或者修改数据之前都会把修改前的信息记录到 undo log。

**undo log 有什么作用？**

undo log 记录事务修改之前版本的数据信息，因此假如由于系统错误或者rollback操作而回滚的话可以根据undo log的信息来进行回滚到没被修改前的状态。

**总结：**

> undo log是用来回滚数据的用于保障 未提交事务的原子性

### 二、mysql锁技术以及MVCC基础 ###

**1. mysql锁技术**  
　当有多个请求来读取表中的数据时可以不采取任何操作，但是多个请求里有读请求，又有修改请求时必须有一种措施来进行并发控制。不然很有可能会造成不一致。

**读写锁**  
解决上述问题很简单，只需用两种锁的组合来对读写请求进行控制即可，这两种锁被称为：

**共享锁(shared lock),又叫做"读锁"**

> 读锁是可以共享的，或者说多个读请求可以共享一把锁读数据，不会造成阻塞。

**排他锁(exclusive lock),又叫做"写锁"**

> 写锁会排斥其他所有获取锁的请求，一直阻塞，直到写入完成释放锁。

![在这里插入图片描述][20191201203408678.png]  
**总结：**

> 通过读写锁，可以做到读读可以并行，但是不能做到写读，写写并行 事务的隔离性就是根据读写锁来实现的！！！这个后面再说。

**2. MVCC基础**  
MVCC (MultiVersion Concurrency Control) 叫做**多版本并发控制。**

> InnoDB的 MVCC ，是通过在每行记录的后面保存两个隐藏的列来实现的。这两个列， 一个保存了行的创建时间，一个保存了行的过期时间，  
> 当然存储的并不是实际的时间值，而是系统版本号。

以上片段摘自《高性能Mysql》这本书对MVCC的定义。他的主要实现思想是通过数据多版本来做到读写分离。从而实现不加锁读进而做到读写并行。

**MVCC在mysql中的实现依赖的是undo log与read view**

> undo log :undo log 中记录某行数据的多个版本的数据。 read view :用来判断当前版本数据的可见性  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### 三、事务的实现 ###

前面讲的重做日志，回滚日志以及锁技术就是实现事务的基础。

*  事务的原子性是通过 undo log 来实现的
 *  事务的持久性性是通过 redo log 来实现的
 *  事务的隔离性是通过 (读写锁+MVCC)来实现的
 *  而事务的终极大 boss 一致性是通过原子性，持久性，隔离性来实现的！！！

原子性，持久性，隔离性折腾半天的目的也是为了保障数据的一致性！

总之，ACID只是个概念，事务最终目的是要保障数据的可靠性，一致性。

##### 1.原子性的实现 #####

**什么是原子性：**

> 一个事务必须被视为不可分割的最小工作单位，一个事务中的所有操作要么全部成功提交，要么全部失败回滚，对于一个事务来说不可能只执行其中的部分操作，这就是事务的原子性。

上面这段话取自《高性能MySQL》这本书对原子性的定义，原子性可以概括为就是要实现要么全部失败，要么全部成功。

以上概念相信大家伙儿都了解，那么数据库是怎么实现的呢？ 就是通过回滚操作。

所谓回滚操作就是当发生错误异常或者显式的执行rollback语句时需要把数据还原到原先的模样，所以这时候就需要用到undo log来进行回滚，接下来看一下undo log在实现事务原子性时怎么发挥作用的

**1.1 undo log 的生成**  
假设有两个表 bank和finance，表中原始数据如图所示，当进行插入，删除以及更新操作时生成的undo log如下面图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
从上图可以了解到数据的变更都伴随着回滚日志的产生：

**(1) 产生了被修改前数据(zhangsan,1000) 的回滚日志  
(2) 产生了被修改前数据(zhangsan,0) 的回滚日志**

根据上面流程可以得出如下结论：  
**1.每条数据变更(insert/update/delete)操作都伴随一条undo log的生成,并且回滚日志必须先于数据持久化到磁盘上  
2.所谓的回滚就是根据回滚日志做逆向操作，比如delete的逆向操作为insert，insert的逆向操作为delete，update的逆向为update等。**

> 思考：为什么先写日志后写数据库？ —稍后做解释

**1.2 根据undo log 进行回滚**

为了做到同时成功或者失败，当系统发生错误或者执行rollback操作时需要根据undo log 进行回滚  
　![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
回滚操作就是要还原到原来的状态，undo log记录了数据被修改前的信息以及新增和被删除的数据信息，根据undo log生成回滚语句，比如：

(1) 如果在回滚日志里有新增数据记录，则生成删除该条的语句

(2) 如果在回滚日志里有删除数据记录，则生成生成该条的语句

(3) 如果在回滚日志里有修改数据记录，则生成修改到原先数据的语句

**2.持久性的实现**

事务一旦提交，其所作做的修改会永久保存到数据库中，此时即使系统崩溃修改的数据也不会丢失。

先了解一下MySQL的数据存储机制，MySQL的表数据是存放在磁盘上的，因此想要存取的时候都要经历磁盘IO,然而即使是使用SSD磁盘IO也是非常消耗性能的。

为此，为了提升性能InnoDB提供了缓冲池(Buffer Pool)，Buffer Pool中包含了磁盘数据页的映射，可以当做缓存来使用：

> **读数据**：会首先从缓冲池中读取，如果缓冲池中没有，则从磁盘读取在放入缓冲池；  
> 　  
> **写数据**：会首先写入缓冲池，缓冲池中的数据会定期同步到磁盘中；

上面这种缓冲池的措施虽然在性能方面带来了质的飞跃，但是它也带来了新的问题，当MySQL系统宕机，断电的时候可能会丢数据！！！

因为我们的数据已经提交了，但此时是在缓冲池里头，还没来得及在磁盘持久化，所以我们急需一种机制需要存一下已提交事务的数据，为恢复数据使用。

于是 redo log就派上用场了。下面看下redo log是什么时候产生的  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

既然redo log也需要存储，也涉及磁盘IO为啥还用它？

> （1）redo log 的存储是顺序存储，而缓存同步是随机操作。
> 
> （2）缓存同步是以数据页为单位的，每次传输的数据大小大于redo log。

**3.隔离性实现**

隔离性是事务ACID特性里最复杂的一个。在SQL标准里定义了四种隔离级别，每一种级别都规定一个事务中的修改，哪些是事务之间可见的，哪些是不可见的。

级别越低的隔离级别可以执行越高的并发，但同时实现复杂度以及开销也越大。

Mysql 隔离级别有以下四种（级别由低到高）：

*  READ UNCOMMITED (未提交读)
 *  READ COMMITED (提交读)
 *  REPEATABLE READ (可重复读)
 *  SERIALIZABLE (可重复读)

只要彻底理解了隔离级别以及他的实现原理就相当于理解了ACID里的隔离型。前面说过原子性，隔离性，持久性的目的都是为了要做到一致性，但隔离型跟其他两个有所区别，原子性和持久性是为了要实现数据的可性保障靠，比如要做到宕机后的恢复，以及错误后的回滚。

> 那么隔离性是要做到什么呢？  
> 　  
> 隔离性是要管理多个并发读写请求的访问顺序。 这种顺序包括串行或者是并行

说明一点，写请求不仅仅是指insert操作，又包括update操作。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

总之，从隔离性的实现可以看出这是一场数据的可靠性与性能之间的权衡。

> 可靠性性高的，并发性能低(比如 Serializable)  
> 可靠性低的，并发性能高(比如 Read Uncommited)

**READ UNCOMMITTED**

在READ UNCOMMITTED隔离级别下，事务中的修改即使还没提交，对其他事务是可见的。事务可以读取未提交的数据，造成脏读。

因为读不会加任何锁，所以写操作在读的过程中修改数据，所以会造成脏读。好处是可以提升并发处理性能，能做到读写并行。

换句话说，读的操作不能排斥写请求。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

优点：读写并行，性能高  
缺点：造成脏读

**READ COMMITTED**

一个事务的修改在他提交之前的所有修改，对其他事务都是不可见的。其他事务能读到已提交的修改变化。在很多场景下这种逻辑是可以接受的。

InnoDB在 READ COMMITTED，使用排它锁,读取数据不加锁而是使用了MVCC机制。或者换句话说他采用了读写分离机制。  
但是该级别会产生不可重读以及幻读问题。

> 什么是不可重读？

在一个事务内多次读取的结果不一样。

> **为什么会产生不可重复读？**

这跟 READ COMMITTED 级别下的MVCC机制有关系，在该隔离级别下每次 select的时候新生成一个版本号，所以每次select的时候读的不是一个副本而是不同的副本。

在每次select之间有其他事务更新了我们读取的数据并提交了，那就出现了不可重复读  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

**REPEATABLE READ(Mysql默认隔离级别)**

在一个事务内的多次读取的结果是一样的。这种级别下可以避免，脏读，不可重复读等查询问题。mysql 有两种机制可以达到这种隔离级别的效果，分别是采用读写锁以及MVCC。

**采用读写锁实现：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

> 为什么能可重复度？只要没释放读锁，在次读的时候还是可以读到第一次读的数据。

优点：实现起来简单

缺点：无法做到读写并行

**采用MVCC实现：**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]  
为什么能可重复度？因为多次读取只生成一个版本，读到的自然是相同数据。

优点：读写并行

缺点：实现的复杂度高

但是在该隔离级别下仍会存在幻读的问题，关于幻读的解决我打算另开一篇来介绍。

**SERIALIZABLE**

该隔离级别理解起来最简单，实现也最单。在隔离级别下除了不会造成数据不一致问题，没其他优点。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

**4.一致性的实现**  
数据库总是从一个一致性的状态转移到另一个一致性的状态.

下面举个例子:zhangsan 从银行卡转400到理财账户

> start transaction;  
> select balance from bank where name=“zhangsan”;  
> //生成 重做日志 balance=600  
> update bank set balance = balance - 400;  
> // 生成重做日志 amount=400  
> update finance set amount = amount + 400;  
> commit;

1.  假如执行完 update bank set balance = balance - 400;之发生异常了，银行卡的钱也不能平白无辜的减少，而是回滚到最初状态。
2.  又或者事务提交之后，缓冲池还没同步到磁盘的时候宕机了，这也是不能接受的，应该在重启的时候恢复并持久化。
3.  假如有并发事务请求的时候也应该做好事务之间的可见性问题，避免造成脏读，不可重复读，幻读等。在涉及并发的情况下往往在性能和一致性之间做平衡，做一定的取舍，所以隔离性也是对一致性的一种破坏。

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### 四、总结 ###

本文出发点是想讲一下Mysql的事务的实现原理。

> 实现事务采取了哪些技术以及思想？

*  **原子性：使用 undo log ，从而达到回滚**
 *  **持久性：使用 redo log，从而达到故障后恢复**
 *  **隔离性：使用锁以及MVCC,运用的优化思想有读写分离，读读并行，读写并行**
 *  **一致性：通过回滚，以及恢复，和在并发环境下的隔离做到一致性。**

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191201204631286.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxOTk5NDU1,size_16,color_FFFFFF,t_70
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