MySQL 是如何实现 ACID 的?

网友投稿 598 2023-06-04

MySQL 是如何实现 ACID 的?

MySQL 是如何实现 ACID 的?

ACID

MySQL 作为一个关系型数据库,以最常见的 InnoDB 引擎来说,是如何保证 ACID 的。

(Atomicity)原子性: 事务是最小的执行单位,不允许分割。原子性确保动作要么全部完成,要么完全不起作用; (Consistency)一致性: 执行事务前后,数据保持一致; (Isolation)隔离性: 并发访问数据库时,一个事务不被其他事务所干扰。 (Durability)持久性: 一个事务被提交之后。对数据库中数据的改变是持久的,即使数据库发生故障。

隔离性

先说说隔离性,首先是四种隔离级别。

别说明

读未提交 一个事务还没提交时,它做的变更就能被别的事务看到 读提交 一个事务提交之后,它做的变更才会被其他事务看到 可重复读 一个事务中,对同一份数据的读取结果总是相同的,无论是否有其他事务对这份数据进行操作,以及这个事务是否提交。

InnoDB默认级别

。 串行化 事务串行化执行,每次读都需要获得表级共享锁,读写相互都会阻塞,隔离级别最高,牺牲系统并发性。

不同的隔离级别是为了解决不同的问题。也就是脏读、幻读、不可重复读。

隔离级别脏读不可重复读幻读

读未提交 可以出现 可以出现 可以出现 读提交 不允许出现 可以出现 可以出现 可重复读 不允许出现 不允许出现 可以出现 序列化 不允许出现 不允许出现 不允许出现

那么不同的隔离级别,隔离性是如何实现的,为什么不同事物间能够互不干扰?答案是 锁 和 MVCC。

先来说说锁, MySQL 有多少锁。

粒度

从粒度上来说就是表锁、页锁、行锁。表锁有意向共享锁、意向排他锁、自增锁等。行锁是在引擎层由各个引擎自己实现的。但并不是所有的引擎都支持行锁,比如 MyISAM 引擎就不支持行锁。

行锁的种类

在 InnoDB 事务中,行锁通过给索引上的索引项加锁来实现。这意味着只有通过索引条件检索数据,InnoDB才使用行级锁,否则将使用表锁。行级锁定同样分为两种类型:共享锁和排他锁,以及加锁前需要先获得的意向共享锁和意向排他锁。

共享锁:读锁,允许其他事务再加S锁,不允许其他事务再加X锁,即其他事务只读不可写。select...lock in share mode 加锁。 排它锁:写锁,不允许其他事务再加S锁或者X锁。insert、update、delete、for update加锁。

行锁是在需要的时候才加上的,但并不是不需要了就立刻释放,而是要等到事务结束时才释放。这个就是两阶段锁协议。

行锁的实现算法

Record Lock

单个行记录上的锁,总是会去锁住索引记录。

Gap Lock

间隙锁,想一下幻读的原因,其实就是行锁只能锁住行,但新插入记录这个动作,要更新的是记录之间的“间隙”。所以加入间隙锁来解决幻读。

Next-Key Lock

Gap Lock + Record Lock, 左开又闭。

锁之于隔离性

大致介绍了下锁,可以看到。有了锁,当某事务正在写数据时,其他事务获取不到写锁,就无法写数据,一定程度上保证了事务间的隔离。但前面说,加了写锁,为什么其他事务也能读数据呢,不是获取不到读锁吗?

MVCC

前面说到,有了锁,当前事务没有写锁就不能修改数据,但还是能读的,而且读的时候,即使该行数据其他事务已修改且提交,还是可以重复读到同样的值。这就是MVCC,多版本的并发控制,Multi-Version Concurrency Control。

版本链

Innodb 中行记录的存储格式,有一些额外的字段:DATA_TRX_ID和DATA_ROLL_PTR。

DATA_TRX_ID:数据行版本号。用来标识最近对本行记录做修改的事务 id。 DATA_ROLL_PTR:指向该行回滚段的指针。该行记录上所有旧版本,在 undo log 中都通过链表的形式组织。

undo log : 记录数据被修改之前的日志,后面会详细说。

ReadView

在每一条 SQL 开始的时候被创建,有几个重要属性:

trx_ids: 当前系统活跃(未提交)事务版本号集合。 low_limit_id: 创建当前 read view 时“当前系统最大事务版本号+1”。 up_limit_id: 创建当前read view 时“系统正处于活跃事务最小版本号” creator_trx_id: 创建当前read view的事务版本号;

开始查询

现在开始查询,一个 select 过来了,找到了一行数据。

DATA_TRX_ID = low_limit_id:

说明该数据是在当前read view 创建后才产生的,数据不显示。

不显示怎么办,根据 DATA_ROLL_PTR 从 undo log 中找到历史版本,找不到就空。

up_limit_id

RR 级别的幻读

有了锁和 MVCC , 事务的隔离性得到解决。这里要引申一下,默认的 RR 的级别,解决了幻读吗?幻读通常针对的是 INSERT, 不可重复度则针对 UPDATE 。

我们期望是

id  name  1   A  2   B

实际却是

id  name  1   B  2   B

其实在 MySQL 可重复读的隔离级别中并不是完全解决了幻读的问题,而是解决了读数据情况下的幻读问题。而对于修改的操作依旧存在幻读问题,就是说 MVCC 对于幻读的解决时不彻底的。另外,MySQL 系列面试题和答案全部整理好了,微信搜索Java技术栈,在后台发送:面试,可以在线阅读。

原子性

接着说说原子性。前文有提到 undo log ,回滚日志。隔离性的MVCC其实就是依靠它来实现的,原子性也是。实现原子性的关键,是当事务回滚时能够撤销所有已经成功执行的sql语句。

当事务对数据库进行修改时,InnoDB会生成对应的 undo log;如果事务执行失败或调用了 rollback,导致事务需要回滚,便可以利用 undo log 中的信息将数据回滚到修改之前的样子。undo log 属于逻辑日志,它记录的是sql执行相关的信息。当发生回滚时,InnoDB 会根据 undo log 的内容做与之前相反的工作:

对于每个 insert,回滚时会执行 delete; 对于每个 delete,回滚时会执行insert; 对于每个 update,回滚时会执行一个相反的 update,把数据改回去。

以update操作为例:当事务执行update时,其生成的undo log中会包含被修改行的主键(以便知道修改了哪些行)、修改了哪些列、这些列在修改前后的值等信息,回滚时便可以使用这些信息将数据还原到update之前的状态。

持久性

Innnodb有很多 log,持久性靠的是 redo log。

一条SQL更新语句怎么运行

redo log

redo log 就是这个粉板,当有一条记录要更新时,InnoDB 引擎就会先把记录写到 redo log(并更新内存),这个时候更新就算完成了。在适当的时候,将这个操作记录更新到磁盘里面,而这个更新往往是在系统比较空闲的时候做,这就像打烊以后掌柜做的事。

redo log 有两个特点:

大小固定,循环写crash-safe

Buffer Pool

InnoDB还提供了缓存,Buffer Pool 中包含了磁盘中部分数据页的映射,作为访问数据库的缓冲:

当读取数据时,会先从Buffer Pool中读取,如果Buffer Pool中没有,则从磁盘读取后放入Buffer Pool; 当向数据库写入数据时,会首先写入Buffer Pool,Buffer Pool中修改的数据会定期刷新到磁盘中。

Buffer Pool 的使用大大提高了读写数据的效率,但是也带了新的问题:如果MySQL宕机,而此时 Buffer Pool 中修改的数据还没有刷新到磁盘,就会导致数据的丢失,事务的持久性无法保证。

所以加入了 redo log。当数据修改时,除了修改Buffer Pool中的数据,还会在redo log记录这次操作;

当事务提交时,会调用fsync接口对redo log进行刷盘。

如果MySQL宕机,重启时可以读取redo log中的数据,对数据库进行恢复。

redo log采用的是WAL(Write-ahead logging,预写式日志),所有修改先写入日志,再更新到Buffer Pool,保证了数据不会因MySQL宕机而丢失,从而满足了持久性要求。而且这样做还有两个优点:

刷脏页是随机 IO,redo log 顺序 IO刷脏页以Page为单位,一个Page上的修改整页都要写;而redo log 只包含真正需要写入的,无效 IO 减少。

binlog

说到这,可能会疑问还有个 bin log 也是写操作并用于数据的恢复,有啥区别呢。

层次:redo log 是 innoDB 引擎特有的,server 层的叫 binlog(归档日志) 内容:redolog 是物理日志,记录“在某个数据页上做了什么修改”;binlog 是逻辑日志,是语句的原始逻辑,如“给 ID=2 这一行的 c 字段加 1 ” 写入:redolog 循环写且写入时机较多,binlog 追加且在事务提交时写入

binlog 和 redo log

对于语句 update T set c=c+1 where ID=2;

为什么先写 redo log 呢 ?

先 redo 后 bin : binlog 丢失,少了一次更新,恢复后仍是0。 先 bin 后 redo : 多了一次事务,恢复后是1。

一致性

一致性是事务追求的最终目标,前问所诉的原子性、持久性和隔离性,其实都是为了保证数据库状态的一致性。当然,上文都是数据库层面的保障,一致性的实现也需要应用层面进行保障。

也就是你的业务,比如购买操作只扣除用户的余额,不减库存,肯定无法保证状态的一致。

总结

MySQL 都很熟, ACID 也知道是个啥,但 MySQL 的 ACID 怎么实现的?

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