MySQL事务与并发之：`事务`的`隔离级别`：`READ UNCOMMITTED`、`READ COMMITTED`、`REPEATABLE READ`和`SERIALIZABLE`。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，我们开始今天的讲座。

MySQL事务与并发之：事务的隔离级别

今天我们要深入探讨MySQL事务并发控制的核心概念：事务隔离级别。理解这些级别对于构建健壮、可靠的应用程序至关重要，尤其是在并发环境下。我们将逐一分析READ UNCOMMITTED、READ COMMITTED、REPEATABLE READ和SERIALIZABLE，并结合实际案例，展示每种级别的影响以及如何选择合适的级别。

1. 事务（Transaction）简述

在深入隔离级别之前，我们先简单回顾一下事务的概念。事务是一系列数据库操作的逻辑单元，要么全部成功执行（提交），要么全部失败回滚。事务具有ACID特性：

原子性（Atomicity）: 事务中的所有操作要么全部完成，要么全部不完成，不会存在部分完成的情况。
一致性（Consistency）: 事务必须保证数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态。
隔离性（Isolation）: 多个并发事务之间应该相互隔离，一个事务的执行不应该受到其他事务的干扰。
持久性（Durability）: 事务一旦提交，其结果就应该永久保存在数据库中，即使发生系统故障也不应该丢失。

2. 并发问题

当多个事务并发执行时，如果没有适当的控制机制，可能会出现以下问题：

脏读（Dirty Read）： 一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据。
不可重复读（Non-Repeatable Read）： 在同一个事务中，多次读取同一数据，但由于其他事务的修改，导致每次读取的结果不一致。
幻读（Phantom Read）： 在同一个事务中，多次执行相同的查询，但由于其他事务的插入或删除操作，导致每次查询的结果集数量或内容不一致。

3. 事务隔离级别

事务隔离级别定义了事务之间相互隔离的程度。更高的隔离级别提供更强的隔离性，但也可能降低并发性能。 MySQL提供了四个标准的隔离级别，按照隔离程度从低到高依次为：

READ UNCOMMITTED
READ COMMITTED
REPEATABLE READ
SERIALIZABLE

4. READ UNCOMMITTED（未提交读）

描述： 这是最低的隔离级别。事务可以读取其他事务尚未提交的数据。
问题： 允许脏读，因此数据一致性无法保证。
适用场景： 极少使用。在对数据一致性要求不高，且对并发性能要求极高的场景下，可能考虑使用。但实际上这种情况几乎不存在。

演示：

首先，设置隔离级别：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

然后，创建一张简单的表：

CREATE TABLE accounts (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2)
);

INSERT INTO accounts (id, balance) VALUES (1, 100.00);

现在，模拟两个并发事务。

事务 A：

-- 开始事务 A
START TRANSACTION;

-- 更新账户余额（但未提交）
UPDATE accounts SET balance = balance - 50.00 WHERE id = 1;

-- 此时，事务 A 尚未提交

事务 B：

-- 开始事务 B
START TRANSACTION;

-- 读取账户余额 (脏读)
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1; -- 事务 B 可能会读取到 balance = 50.00 (未提交的值)

-- 提交事务 B
COMMIT;

事务 A：
```
-- 事务 A 回滚
ROLLBACK;
```

在这个例子中，如果事务B在事务A提交或回滚之前读取了accounts表，它就会读取到事务A修改但尚未提交的数据（balance = 50.00）。这就是脏读。事务A最终回滚，所以数据最终是balance=100。事务B读取了错误的数据。

5. READ COMMITTED（已提交读）

描述： 事务只能读取其他事务已经提交的数据。
问题： 避免了脏读，但仍然存在不可重复读和幻读的问题。
适用场景： 适用于对数据一致性要求较高，但对并发性能也有一定要求的场景。例如，报表系统，允许读取已提交的数据，但不能读取未提交的数据。

演示：

设置隔离级别：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

仍然使用上面的 accounts 表。

事务 C：

-- 开始事务 C
START TRANSACTION;

-- 读取账户余额 (第一次)
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1; -- 假设读取到 balance = 100.00

-- 此时，事务 C 暂停执行

事务 D：

-- 开始事务 D
START TRANSACTION;

-- 更新账户余额
UPDATE accounts SET balance = balance - 50.00 WHERE id = 1;

-- 提交事务 D
COMMIT;

事务 C：

-- 事务 C 继续执行

-- 读取账户余额 (第二次)
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1; -- 事务 C 可能会读取到 balance = 50.00 (因为事务 D 已经提交)

-- 提交事务 C
COMMIT;

在这个例子中，事务C在同一个事务中两次读取了accounts表，但由于事务D的修改和提交，导致两次读取的结果不一致（第一次是balance = 100.00，第二次是balance = 50.00）。这就是不可重复读。

6. REPEATABLE READ（可重复读）

描述： 事务在整个事务过程中，多次读取同一数据，得到的结果始终一致。这是MySQL的默认隔离级别（InnoDB引擎）。
问题： 避免了脏读和不可重复读，但仍然存在幻读的问题。
适用场景： 适用于对数据一致性要求较高，需要保证在同一个事务中多次读取数据结果一致的场景。例如，需要多次查询并基于查询结果进行计算的场景。
演示：

设置隔离级别：
```
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
```
仍然使用上面的 accounts 表。
- 事务 E：
```
-- 开始事务 E
START TRANSACTION;

-- 读取账户余额 (第一次)
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1; -- 假设读取到 balance = 100.00

-- 此时，事务 E 暂停执行
```
- 事务 F：
```
-- 开始事务 F
START TRANSACTION;

-- 更新账户余额
UPDATE accounts SET balance = balance - 50.00 WHERE id = 1;

-- 提交事务 F
COMMIT;

-- 插入一条新的记录
INSERT INTO accounts (id, balance) VALUES (2, 200.00);
COMMIT;
```
- 事务 E：
```
-- 事务 E 继续执行

-- 读取账户余额 (第二次)
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1; -- 事务 E 仍然会读取到 balance = 100.00 (可重复读)

-- 查询所有账户
SELECT * FROM accounts; -- 事务 E 可能会读取到幻读，因为事务 F 插入了一条新的记录

-- 提交事务 E
COMMIT;
```
在这个例子中，事务E在同一个事务中两次读取了id=1的accounts记录，由于REPEATABLE READ隔离级别的保证，两次读取的结果始终一致（balance = 100.00）。但是，如果事务E执行了SELECT * FROM accounts，那么它可能会看到事务F插入的新记录（id=2），这就是幻读。

注意： 在InnoDB存储引擎中，通过MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）机制，REPEATABLE READ 隔离级别在很大程度上解决了幻读问题。 MVCC为每个数据行维护多个版本，事务读取数据时，会读取符合特定条件的版本。但是，在某些情况下，例如执行UPDATE或DELETE操作时，仍然可能出现幻读。

7. SERIALIZABLE（串行化）

描述： 这是最高的隔离级别。事务被强制串行执行，避免了所有并发问题（脏读、不可重复读、幻读）。
问题： 并发性能极低，因为所有事务都需要排队执行。
适用场景： 适用于对数据一致性要求极高，且对并发性能要求不高的场景。例如，银行系统的某些关键操作，如转账，需要保证绝对的数据一致性。

演示：

设置隔离级别：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

仍然使用上面的 accounts 表。

事务 G：

-- 开始事务 G
START TRANSACTION;

-- 读取账户余额
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1;

-- 此时，事务 G 暂停执行

事务 H：

-- 开始事务 H
START TRANSACTION;

-- 更新账户余额
UPDATE accounts SET balance = balance - 50.00 WHERE id = 1;

-- 事务 H 会被阻塞，直到事务 G 提交或回滚
-- 如果事务 G 提交，事务 H 才能继续执行
-- 如果事务 G 回滚，事务 H 才能继续执行

-- 提交事务 H
COMMIT;

在这个例子中，由于SERIALIZABLE隔离级别的限制，事务H会被阻塞，直到事务G提交或回滚。这保证了事务的串行执行，避免了任何并发问题。

8. 隔离级别总结

为了更清晰地比较不同的隔离级别，我们用表格总结如下：

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读	并发性能
`READ UNCOMMITTED`	是	是	是	高
`READ COMMITTED`	否	是	是	较高
`REPEATABLE READ`	否	否	是 (InnoDB基本解决)	中等
`SERIALIZABLE`	否	否	否	低

9. 如何选择合适的隔离级别

选择合适的隔离级别需要在数据一致性和并发性能之间进行权衡。

如果对数据一致性要求不高，且对并发性能要求极高，可以考虑使用 READ UNCOMMITTED（但不推荐）。
如果需要避免脏读，但允许不可重复读和幻读，可以使用 READ COMMITTED。
如果需要避免脏读和不可重复读，但允许幻读，可以使用 REPEATABLE READ（MySQL InnoDB的默认隔离级别）。
如果对数据一致性要求极高，且对并发性能要求不高，可以使用 SERIALIZABLE。

在实际应用中，通常选择 READ COMMITTED 或 REPEATABLE READ。 REPEATABLE READ 是MySQL InnoDB的默认隔离级别，通常能够满足大部分应用的需求。

10. 代码示例：设置和获取隔离级别

设置隔离级别：

-- 设置会话级别的隔离级别
SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

-- 设置全局级别的隔离级别
SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

注意： 设置全局隔离级别需要 SUPER 权限。

获取隔离级别：

-- 获取当前会话的隔离级别
SELECT @@transaction_isolation;

-- 获取全局的隔离级别
SELECT @@global.transaction_isolation;

11. 超越标准：InnoDB 的 MVCC

InnoDB 存储引擎采用 MVCC（多版本并发控制）来提高并发性能，同时保证数据的一致性。 MVCC 为每一行数据维护多个版本，允许事务读取符合特定条件的旧版本数据，从而避免了锁的竞争。

版本链： InnoDB 为每一行数据维护一个版本链，每个版本都包含创建该版本的事务ID（trx_id）和指向前一个版本的指针（roll_ptr）。
Read View： 每个事务在启动时都会创建一个 Read View，它包含当前活跃事务的ID列表。
版本选择： 当事务需要读取某一行数据时，InnoDB 会根据 Read View 和版本链来选择合适的版本：
- 如果版本链中最新版本的 trx_id 小于 Read View 中最小的事务ID，说明该版本在当前事务启动之前就已经提交，可以读取。
- 如果版本链中最新版本的 trx_id 大于 Read View 中最大的事务ID，说明该版本在当前事务启动之后才创建，不能读取。
- 如果版本链中最新版本的 trx_id 位于 Read View 的范围内，需要判断该 trx_id 是否在 Read View 的活跃事务ID列表中。如果在，说明该版本是当前活跃事务创建的，不能读取；如果不在，说明该版本在当前事务启动之前就已经提交，可以读取。
- 如果以上条件都不满足，则沿着 roll_ptr 指针遍历版本链，直到找到合适的版本。

通过 MVCC，InnoDB 可以在 REPEATABLE READ 隔离级别下，在很大程度上避免幻读的问题。

12. 总结：理解隔离级别，构建可靠应用

我们学习了MySQL的四种事务隔离级别：READ UNCOMMITTED、READ COMMITTED、REPEATABLE READ和SERIALIZABLE。每种级别都在数据一致性和并发性能之间进行权衡。理解这些级别，并根据实际应用的需求选择合适的隔离级别，是构建健壮、可靠的数据库应用的关键。此外，InnoDB 的 MVCC 机制进一步提升了并发性能，并增强了数据一致性。

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