事务隔离级别的实现原理

D调的蜀威
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我们都知道事务有四种隔离级别：读未提交(READ-UNCOMMITTED)、读已提交(READ-COMMITTED)、可重复读(REPEATABLE-READ)、串行化(SERIALIZABLE)。

每种隔离级别的效果如下：

  • 读未提交(READ-UNCOMMITTED)：最低的隔离级别，允许读取尚未提交的数据变更
  • 读已提交(READ-COMMITTED)：允许读取并发事务已经提交的数据
  • 可重复读(REPEATABLE-READ)：对同一字段的多次读取结果都是一致的，除非数据是被本身事务自己所修改
  • 串行化(SERIALIZABLE)：最高的隔离级别，完全服从ACID的隔离级别。所有的事务依次逐个执行，这样事务之间就完全不可能产生干扰。

（对于以上内容理解不是明白的，可参考：事务隔离级别及相关锁实践）

那在MySQL中，每种隔离级别是如何实现的呢？今天就聊聊事务隔离级别的实现原理。

前置知识

MySQL中，表中每条记录都有两个隐藏的字段：DB_TRX_ID、DB_ROLL_PTR。

  • DB_TRX_ID为最后一次更新（插入）行的事务ID.

  • DB_ROLL_PTR 为回滚指针，指向修改记录之前的行记录，这样每行数据都有一个版本链，可以根据它找到每一个版本的数据。

ReadView

MySQL借助「ReadView」实现不同的隔离级别。那「ReadView」是一个什么东西呢？

可以把它理解为一种数据，其主要包含4个内容：

  1. m_ids :表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务的事务id列表。活跃的事务，即为当前正在执行当但未提交的事务。比如，当前系统有两个活跃的事务，其ID为18，27，则生成该ReadView的m_ids为[18, 27]

  2. min_trx_id :表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务中最小的事务id ，也就是 m_ids中的最小值。上面的例子，则min_trx_id 为 18

  3. max_trx_id :表示生成 ReadView 时系统中应该分配给下一个事务的id值。在生成此ReadView之后，系统创建的第一个事务id即为max_trx_id。它与m_ids并没有任何关系，因为在m_ids之后可能会有已提交的事务。

  4. creator_trx_id : 表示生成该ReadView的事务的事务id。PS: 只有在对表中的记录做改动时(执行INSERT、DELETE、UPDATE这些语句时)才会 为事务分配事务id，否则在一个只读事务中的事务id值都默认为0。

ReadView如何实现各种隔离级别

读未提交(READ-UNCOMMITTED)、串行化(SERIALIZABLE) 隔离级别并没有使用到ReadView。读未提交，直接读取最新数据即可；串行化通过锁的机制实现。

读已提交(READ-COMMITTED)

读已提交，能读取到事务已经提交的数据。换句话说，我们需要过滤未提交事务修改的数据。MySQL是这样实现的：在每次读取数据之前，生成一个ReadView，此时记录活跃的事务id列表（m_ids），最小的事务id（min_trx_id），最大的事务id（max_trx_id），当前事务id（creator_trx_id）。

当读取到每行数据时，根据隐藏的字段 DB_TRX_ID 来判断当前数据行是否可读。判断规则：

  1. 当 DB_TRX_ID 小于 min_trx_id，则说明该行数据是在生成ReadView之前已提交的，所以其是可读的。
  2. 当 DB_TRX_ID 等于 creator_trx_id，说明该行数据是同一个事务更新或插入的，所以其是可读的
  3. 当 DB_TRX_ID 在 m_ids列表中，说明其他活跃事务正在操作该行数据，属于未提交状态，所以其是不可读的。
  4. 当 DB_TRX_ID 大于 max_trx_id，说明其在该ReadView之后其他事务生成的，所以其是不可读的。
  5. 当 DB_TRX_ID 小于 max_trx_id 且不在 m_ids列表中，说明操作该数据的事务是已提交的（不是活跃的），所以其是可读的。

事务隔离，只是隔离其他正在进行中的事务操作的相关数据，在这之前的数据也应该正常读取。上面所说的不可读，只是说当前操作的数据不可读，MySQL还会根据每行的回滚指针DB_ROLL_PTR，找到之前版本的数据，再根据这个规则判断是否可读，以此类推，直接找到符合规则的数据或者不存在记录。

以上，就是读已提交隔离级别的实现原理。

可重复读(REPEATABLE-READ)

可重复读，对同一字段的多次读取结果都是一致的，除非数据是被本身事务自己所修改。其原理跟「读已提交」差不多，最大的区别就是ReadView只在第一次读取时生成，后续的每一次读都不再生成新的ReadView。比如第一次读取数据时，ReadView的m_ids为[18, 27]，当读取到的行的事务ID为18，此时该数据不可读的。当事务18提交时，当前事务再次读取数据时，因为其不再生成新的ReadView，事务18还是当成活跃的事务，读取的结果还是不可读（如果是读已提交隔离级别，这次读取的结果变为可读）。这样就达到了可重复读的效果。

MySQL中的可重复读隔离级别解决了不可重复读的问题，同时也解决了幻读的问题（幻读指的是一个事务在前后两次查询同一个范围的时候，后一次查询看到了前一次查询没有看到的行）。原理很简单，前后读取的数据，如果在中间发生了修改，其行记录的事务ID为m_ids列表中或大于max_trx_id，其数据都是不可读的，所以前后读取的数据会保持一致。

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