《数据密集型系统应用》笔记（六）

ZS885
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《数据密集型系统应用》笔记（六）

本章节主要介绍数据的事务

事务

数据不一致的来源：

1） 软硬件故障 2) 软件运行bug 3) 网络 4) 并发

解决方案： 事务，定义： 事务中的所有读写操作被视作单个操作来执行：整个事务要么成功（提交（commit））要么失败（中止（abort），回滚（rollback））。

ACID：

ACID （原子性 ， 一致性， 隔离性， 持久性 durability)

  • A : 无法进一步切割分解；（即不能是一般成功）
  • C： 对数据的一组特定陈述必须始终成立，不变性； 即h是就是是，不是就是不是，无论用什么时间什么节点查；
  • I： A隔离性意味着，同时执行的事务是相互隔离的：比如不能互相看见各自的更新（在实现上和隔离级别有关）
  • D: 数据已被写入非易失性存储设，变更不能被丢失；

许多分布式数据存储已经放弃了多对象事务

事务的处理错误和异常

中止的重点就是允许安全的重试 ，重试的风险：

  • 因为网络错误， 而错误执行两次；
  • 错误是负载过大， 重试导致恶性循环
  • 其他副作用
  • 死锁等

隔离级别

  • 读未提交；实现：不做事务控制，
  • 读已提交； 实现方式： 行锁，
  • 可重复度；实现方式： mvcc txid + 回滚段（undo chain)维护read-view读视图； 快照隔离

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  • 串行化 实际上串行化在现在的数据场景中是普遍存在的，比如说使用同一个分片id进行hash， 然后同一个id下就是串行的。

CAS

又是也可以使用CAS 进行类似原子化的操作

幻读

发生在一个事务在两次执行相同的查询时，可能会看到不一致的结果集，因为在这两次查询之间，另一个事务插入了新的行，从而影响了查询结果集的大小。 事务 T1 执行一个查询，读取符合某个条件的多行数据。 事务 T2 插入（或删除）一些数据，使得这些数据符合（或不符合）事务 T1 的查询条件。 事务 T1 再次执行相同的查询，却发现结果集中多了（或少了）一些行，这些行被称为“幻行”。

2PC

阶段 1：准备阶段（Prepare Phase）

事务协调者（Coordinator） 向所有参与者（Participants）发送准备请求（Prepare Request），询问他们是否可以准备提交事务。 参与者 接收到准备请求后，执行事务预处理并记录事务日志，但不提交事务。 参与者 向协调者发送响应，表明自己是准备提交（Yes Vote）还是不能提交（No Vote）。

阶段 2：提交阶段（Commit Phase）

事务协调者 收到所有参与者的响应后，如果所有参与者都同意提交事务（所有参与者都发送了 Yes Vote），协调者向所有参与者发送提交请求（Commit Request）；否则，发送回滚请求（Rollback Request）。 参与者 接收到提交请求后，提交事务并释放资源；接收到回滚请求后，回滚事务并释放资源。 参与者 完成操作后，向协调者发送确认消息（Acknowledgment），通知事务处理完毕。

阻塞问题：如果协调者在提交阶段崩溃，参与者会一直阻塞等待，无法释放资源。 单点故障：协调者的故障会影响整个事务的进程。 性能开销：2PC 需要多次网络通信和日志记录，增加了系统的开销

对应于innodb

innodb

事务日志（redo log）：在准备阶段，事务的修改记录在 redo log 中，并被持久化到磁盘。 undo log：用于记录事务的回滚操作，确保在提交或回滚时能够恢复一致的数据库状态。 两阶段操作： 准备阶段确保所有参与者都准备好提交事务，并记录状态。 提交阶段根据协调者的决策执行提交或回滚操作。

顺便一提：

Binlog 写入发生在 2PC 的准备阶段和提交阶段之间：在 InnoDB 的 2PC 过程中，事务的修改首先被写入 redo log 并刷盘，然后写入 binlog 并刷盘，最后提交事务。
确保一致性和持久性：通过在提交事务之前确保 binlog 的写入和持久化，MySQL 保证了在崩溃恢复和复制场景下的事务一致性和持久性。
内部二阶段提交：MySQL 的内部二阶段提交机制确保了 binlog 和 InnoDB 事务的原子性操作，防止了 binlog 和事务日志的不一致。

间隙锁

如果活跃事务持有很多锁，检查匹配的锁会非常耗时。因此，大多数使用2PL的数据库实际上实现了索引范围锁,

原先的理解中间隙锁是插空，这里的描述上间隙锁是对所有中间值的合并；

作用是防止幻读和写入偏差；

原理

在 MySQL 的 InnoDB 存储引擎中，间隙锁（Gap Lock）是一种为了实现一致性读（可重复读隔离级别）和防止幻读现象的锁机制。间隙锁不仅锁住具体的行数据，还锁住行数据之间的间隙，以确保事务的一致性和隔离性。下面是关于间隙锁的设计目的和工作原理的详细介绍。

### 间隙锁的设计目的

1. **防止幻读**：
   - 幻读是指一个事务在读取数据集时，另一个事务插入了新行，导致前一个事务在重新读取数据集时，看到的数据集大小发生了变化。间隙锁通过锁住行与行之间的间隙，防止其他事务在间隙中插入新行，从而避免幻读现象。

2. **确保可重复读**：
   - 在可重复读隔离级别下，间隙锁确保在事务的生命周期内，同一查询返回的结果集保持一致。通过锁住间隙，防止其他事务在间隙中插入或删除数据，确保查询结果的一致性。

### 间隙锁的工作原理

间隙锁作用于索引记录之间的间隙，而不仅仅是索引记录本身。它的工作原理如下：

1. **锁定间隙**：
   - 当一个事务执行一个范围查询时，InnoDB 会锁定满足查询条件的记录以及这些记录之间的间隙。这样可以防止其他事务在这些间隙中插入新记录。

2. **间隙锁类型**：
   - **纯间隙锁（Gap Lock）**：仅锁住记录之间的间隙，而不锁住实际的记录。例如，对于索引记录 (100, 200)，纯间隙锁会锁住 (100, 200) 之间的间隙。
   - **临键锁（Next-Key Lock）**：结合行锁和间隙锁，锁住索引记录以及记录前后的间隙。例如，对于索引记录 100，临键锁会锁住 (100, 200) 之间的间隙，包括索引记录 100 本身。

3. **锁的实现**：
   - 间隙锁通过 B+ 树索引实现，锁住索引记录及其间隙。当一个事务需要锁住某个范围时，InnoDB 会在 B+ 树中找到该范围的起始和结束位置，并锁住这些位置之间的所有间隙。

### 示例

假设有一个表 `employees`，其索引为 (100, 200, 300)，两个事务并发执行：

1. **事务 T1** 开始：

``sql
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE employee_id BETWEEN 100 AND 200 FOR UPDATE;
-- 锁住索引 100 和 200 之间的记录及其间隙
``

2. **事务 T2** 尝试插入数据：

``sql
START TRANSACTION;
INSERT INTO employees (employee_id, name, salary) VALUES (150, 'Charlie', 7000);
-- 因为间隙锁，事务 T2 被阻塞，无法插入记录 150
``

3. **事务 T1 提交或回滚后**：

``sql
COMMIT;
-- 事务 T1 释放锁后，事务 T2 才能继续执行插入操作
``

### 间隙锁的应用场景和限制

1. **应用场景**：
   - 间隙锁在可重复读（Repeatable Read）隔离级别下广泛使用，用于防止幻读和确保查询结果的一致性。
   - 它适用于需要对范围查询结果进行一致性控制的场景，如银行系统中的账户余额查询和更新。

2. **限制和注意事项**：
   - 间隙锁会导致锁定粒度较粗，可能导致更多的锁竞争和阻塞，影响系统性能。
   - 在读已提交（Read Committed）隔离级别下，InnoDB 默认不使用间隙锁，以提高并发性能。

### 总结

间隙锁通过锁住索引记录之间的间隙，防止其他事务在间隙中插入或删除数据，从而避免幻读和确保查询结果的一致性。这是实现事务隔离性和一致性的关键机制之一，特别是在可重复读隔离级别下。然而，间隙锁也可能增加锁竞争和阻塞，需要在应用设计中平衡一致性和性能。

悲观与乐观的并发控制

悲观乐观就是一般意义上的，类似锁； 悲观： 如果有事情可能出错（如另一个事务所持有的锁所表示的），最好等到情况安全后再做任何事情；

乐观： 如果存在潜在的危险也不阻止事务，而是继续执行事务，希望一切都会好起来

总结：

几个术语：

  • 脏读： 一个客户端读取到另一个客户端尚未提交的写入。读已提交或更强的隔离级别可以防止脏读。

  • 脏写：一个客户端覆盖写入了另一个客户端尚未提交的写入。几乎所有的事务实现都可以防止脏写。

  • 更新丢失： 两个客户端同时执行读取-修改-写入序列。其中一个写操作，在没有合并另一个写入变更情况下，直接覆盖了另一个写操作的结果。所以导致数据丢失。

  • 读取偏差（不可重复读）：在同一个事务中，客户端在不同的时间点会看见数据库的不同状态。快照隔离经常用于解决这个问题，它允许事务从一个特定时间点的一致性快照中读取数据。快照隔离通常使用多版本并发控制（MVCC） 来实现。（感觉总是和幻读混起来）

  • 幻读 事务读取符合某些搜索条件的对象。另一个客户端进行写入，影响搜索结果。快照隔离，gaplock可以防止直接的幻像读取；

  • 写偏差；一个事务读取一些东西，根据它所看到的值作出决定，并将决定写入数据库。但是，写作的时候，决定的前提不再是真实的。只有可序列化的隔离才能防止这种异常。

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