事务ACID属性与隔离级别

简介: 概念数据库领域中的事务指的是一系列对数据库的操作集合,是数据库管理系统(DBMS)定义的一个执行单位。事务的作用体现在两个方面:在并发访问数据库的场景中,利用事务来隔离多个应用程序的操作,避免多个操作彼此之间相互影响提供一种从失败中恢复到正常状态的方法,同时提供数据库即使在异常状态仍能保持一致性的方法当然以上两条是事务理论上应该持有的特性,但是实际应用过程中,由于业务需求的不同或配置方式不同,事务对以上两个方面的满足程度也不尽相同。

概念

数据库领域中的事务指的是一系列对数据库的操作集合,是数据库管理系统(DBMS)定义的一个执行单位。事务的作用体现在两个方面:

  • 在并发访问数据库的场景中,利用事务来隔离多个应用程序的操作,避免多个操作彼此之间相互影响
  • 提供一种从失败中恢复到正常状态的方法,同时提供数据库即使在异常状态仍能保持一致性的方法

当然以上两条是事务理论上应该持有的特性,但是实际应用过程中,由于业务需求的不同或配置方式不同,事务对以上两个方面的满足程度也不尽相同。

ACID 属性

事务是 DBMS 定义的一个逻辑概念,其作为一个执行单元,内部包含了一系列数据库操作。但是并非所有的数据库操作序列都可以被归纳为事务,可以通过四个属性来描述事务:

  • 原子性(Atomicity):事务中包含的操作集合,要么全部操作执行完成,要么全部都不执行。即当事务执行过程中,发生了某些异常情况,如系统崩溃、执行出错,则需要对已执行的操作进行回滚,清除所有执行痕迹。
  • 一致性(Consistency):事务执行前和事务执行后,数据库的完整性约束不被破坏。即事务的执行是从一个有效状态转移到另一个有效状态。
  • 隔离性(Isolation):多个事务并发执行时,彼此之间不应该存在相互影响。隔离程度不是绝对的,每个数据库都提供有自己的隔离级别,每个数据库的默认隔离级别也不尽相同。
  • 持久性(Durability):事务正常执行完毕后,对数据库的修改是永久性的。即事务的修改操作已经记录到了存储介质中。

note:
原子性和一致性约束的内容不同,事务中的操作,全部执行或全部不执行是原子性约束,一致性要求的是数据库完整性约束条件不被破坏,例如在 A 表上建立对 B 表的外键关联约束,则向 A 表插入记录时,若关联的 B 表不存在对应记录,就是违反了一致性约束。

事务所能体现出的作用就是通过其所具有的属性定义的,隔离性保证了数据库的并发访问中,多个事务之间彼此隔离,避免相互影响;原子性则保证了即使事务执行失败,仍然能够将数据库恢复到执行前状态;一致性则是在数据库操作执行异常时,维护健康的关系约束条件不被破坏掉。持久性则是保证数据的修改被记录到持久化设备上,不受系统异常或设备断电的影响。

隔离级别

在实际应用中,对数据库的并发访问是必然的,如何在多个事务的同时操作下保证每个业务流都能获取正确的结果,依靠的就是 DBMS 提供的不同程度的隔离级别。ANSI/ISO SQL 定义的标准隔离级别如下:

  • 未提交读(Read Uncommitted):一个事务过程中可以读取到其他事务对数据的未提交修改。即事务的修改阶段未加排他锁,对其他事务可见。例如事务 T_1 可能读取到只是事务 T_2 中某一步的修改状态,即存在脏读的现象。

脏读指的是,事务读取到的数据可能是不正确、不合理或者处于非法状态的数据,例如在事务 T_1 读取后,事务 T_2 可能又对数据做了修改,或者事务 T_2 中某些操作违反了一致性约束,作了回滚操作,该情况下事务 T_1 读取到的数据称之为脏数据,该行为称之为脏读。

  • 提交读(Read Committed):一个事务过程中只能读取到其他事务对数据的提交后修改。即事务的修改阶段加了排它锁,直到事务结束才释放,执行读命令那一刻加了共享锁,读完即释放,以此维持事务修改阶段对其他事务的不可见。例如事务 T_1 读取到的只能是事务 T_2 提交完成后的状态。该隔离级别避免了脏读现象,但正是由于事务 T_1 可能读取到的是事务 T_2 修改完成后的数据,以致出现了不可重复读现象。

不可重复读指的是,对于同一个事务的前后两次读取操作,读取到的内容不同。例如在事务 T_1 读取操作后,事务 T_2 可能对数据做了修改,事务 T_2 修改完成提交后,事务 T_1 又做了读取操作,因为内容已被修改,导致读取到的内容与上一次不同,即存在不可重复读现象。

  • 可重复读(Repeatable Reads):一个事务过程中不允许其他事务对数据进行修改。即事务的读取过程加了共享锁,事务的修改过程加了排它锁,并一直维持锁定状态直到事务结束。因为事务的读取或修改都需要维持整个阶段的锁定状态,所以避免了脏读和不可重复读现象。但是因为只对现有的记录上进行了锁定,并未维持间隙锁/范围锁,导致某些数据记录的插入未受阻拦,即存在幻读现象。

幻读指的是,事务中前后相同的查询语句,返回的结果集不同。例如在事务 T_1 查询表记录后,事务 T_2 向表中增加了一条记录,当事务 T_1 再次执行相同的查询时,返回的结果集可能不同,即存在幻读现象。

  • 可串行化(Serializable):一个事务过程中不允许其他事务对指定范围数据进行修改。即事务过程中若指定了操作集合的范围,则在可重复读的锁基础上增加了对操作集合的范围锁,通过增加范围锁避免了幻读现象。

锁的使用是为了在并发环境中保持每个业务流处理结果的正确性,这样的概念在计算机领域中很普遍,但是都必须要基于一个前提,或者称之为约定:在执行操作前,首先尝试去获取锁,获取成功则可以执行,若获取失败,则不执行或等待重复获取。因为无论任何类型的操作,有没有锁都不影响程序本身的执行流程,但只有遵从这个约定才能体现出其价值。就像红绿灯并不影响车辆本身的行驶能力,只有声明所有个体皆遵守相同的规则,所以一切才变得有序。当然在数据库的并发环境下,隔离程度越高,也就意味着并发程度越低,所以各个数据库中一般设置的都是一个折中的隔离级别。

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