表面看,RC已满足事务所需的一切特征:支持中止(原子性),防止读取不完整的事务结果事务隔离级别,并防止并发写的混乱。这点很关键!为我们的开发省去一大堆麻烦。

但此隔离级别仍有很多地方可能产生并发错误。如图-6说明RC可能发生的问题。

事务隔离级别_事务隔离机制_数据库事务隔离等级

Alice在银行有1000存款,分为两个账户,每个500。现有一笔转账交易从账户1转移100到账户2。若她在提交转账请求后、银行DB系统执行转账的过程中间,查看两个账户的余额,她可能看到账号2在收到转账前的余额(500),和账户1在完成转账之后的余额(400)。对Alice,貌似她的账户总共只有900,100消失!

这种异常就是不可重复读(nonrepeatable read)或读倾斜(read skew):若Alice在交易结束时再读取账户1的余额,将看到和她之前的查询看到的不同的值(600)。RC下,不可重复读被认为是可接受的:Alice 看到的帐户余额的确都是账户当时的最新值。

术语 倾斜(skew) 这词有些滥用:以前使用它是因为热点的不平衡工作量,而在此意味着异常时序。

Alice案例不是长期持续的问题,几s后当她刷新银行页面,可能就看到一致的帐户余额。但有的场景不能容忍这种暂时的不一致:

【快照隔离】是这类问题最常见解决方案。每个事务都从DB的一致性快照(consistent snapshot)中读取,即事务一开始所看到是最近提交的数据。即使这些数据随后被另一个事务更改,每个事务也只能看到该特定时间点的旧数据。

快照隔离对长时间运行的只读查询(如备份和分析)很有用。若数据在查询执行的同时变化,则很难理解查询结果的物理含义。而若查询的是DB在某特定时间点冻结时的一致性快照,则查询结果含义明确。

快照隔离很流行:PostgreSQL、InnoDB引擎的MySQL、Oracle、SQL Server 等都支持。

实现快照隔离

类似RC,快照隔离的实现通常使用写锁防止脏写,正在进行写入的事务会阻止另一个事务修改同一个对象。但读取则不无需加锁。性能角度,快照隔离的关键点:读不会阻塞写,写不会阻塞读。这允许DB可在正常处理写入的同时,在一致性快照上执行长时间的只读查询,且两者之间没有任何锁竞争。

为实现快照隔离,DB用类似图-4防脏读但却更通用的机制。考虑到多个正在进行的事务可能在不同时间点查看数据库状态,所以DB保留对象的多个不同的提交版本,所以这种技术也称为多版本并发控制(MVCC, multi-version concurrency control)。

若只是为提供RC,而非完整的快照隔离,则只保留对象的两个版本即可:

所以,支持快照隔离的存储引擎一般也直接使用MVCC实现RC。典型做法:

图-7说明如何在 PostgreSQL 中实现基于 MVCC 的快照隔离(其他实现基本类似)。当事务开始时,首先赋予一个唯一、单调递增 1 的事务ID(txid)。每当事务向DB写入新内容,所写入的数据都会被标记写入者的事务ID。

数据库事务隔离等级_事务隔离机制_事务隔离级别

表中的每行都有个 created_by 字段,其中包含将该行插入到表中的的事务ID。都有个 deleted_by 字段,最初是空的。如某事务删除了一行,那么该行实际上并未从数据库中删除,而是通过将 deleted_by 字段设置为请求删除的事务的 ID 来标记为删除。稍后时间,当确定没有事务可以再访问已删除的数据时,数据库中的gc过程会将所有带有删除标记的行移除,并释放其空间。

这样的一笔UPDATE 操作在内部会被转换为一个 DELETE 和一个 INSERT 。图-7中,事务13从账户2扣100,将余额从 500改为400。account 表会出现两条账户2的记录:

一致性快照的可见性规则

当事务读DB时,通过事务ID可决定哪些对象可见,哪些不可见。要想对上层应用维护好快照的一致性,需仔细定义可见性规则:

每个事务开始时,DB列出当时所有当时还在进行中(即尚未提交或中止)的其它事务,然后忽略这些事务完成的部分写入(尽管之后可能会被提交),即不可见所有中止事务所做的任何修改全部不可见较晚事务ID(即晚于当前事务开始)所做的任何修改不可见,而不管这些事务是否已完成提交此外的所有其他写入都对应用查询可见

以上规则适用于创建、删除操作。图-7中,当事务12从账户2读时,会看到500余额,因为500余额的删除是由事务13完成的(根据规则 3,事务12看不到事务13执行的删除),同理400美元记录的创建也不可见。

即若如下两个条件都成立,则该数据对象对事务可见:

长时间运行的事务可能会使用快照很长时间,其他事务角度,它可能在持续访问正在被覆盖或删除的内容。由于没有就地更新,而是每次修改总创建一个新版本,因此DB可以以较小运行代价来维护一致性快照。

索引和快照隔离

多版本DB如何支持索引?一种方案是索引直接指向对象所有版本,并且需要索引查询过滤掉对当前事务不可见的对象版本。当后台的GC进程决定删除某个事务不可见的旧对象版本时,相应索引条目也随之删除。

实践中,许多细节决定了多版本并发控制的性能,如:

这种使用追加的B树,每个写入事务(或一批事务)都会创建一个新的B 树,当创建时,从该特定树根生长的树就是该时刻DB的一致性快照。这时就没必要根据事务ID再去过滤对象,每个写入都会修改现有的B树,因为之后的 询可以直接作用于特定快照B-tree(有利于查询性能)。采用这种方案依然需要后台进程来执行压缩和GC。

可重复读与命名混淆

快照隔离对只读事务特别有效。但DB实现用不同名字来称呼:

命名混淆原因是SQL标准未定义快照隔离,而仍是基于System R 1975年定义的隔离级别,那时还没快照隔离。而定义了 可重复读,表面看起来接近快照隔离。 所以PostgreSQL 和 MySQL 称快照隔离级别为可重复读(repeatable read),这符合标准要求。

但SQL标准对隔离级别的定义存在缺陷的事务隔离级别,模糊,不精确,做不到独立于实现。有几个DB实现了可重复读,但它们实际提供的保证差异很大。IBM DB2 使用 “可重复读” 实现可串行化级别的隔离。

所以导致结果,无人真正知道可重复读到底啥意思。

Footnotes事务ID是32位整数,所以大约在40亿次事务后溢出。 PostgreSQL 的 Vacuum 过程会清理老旧的事务 ID,确保事务 ID 溢出(回卷)不会影响到数据。 ↩

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