Mysql中事务ACID实现原理

引言

照例，我们先来一个场景~

面试官:"知道事务的四大特性么?"
你:"懂，ACID嘛，原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔离性(Isolation)、持久性(Durability)！"
面试官:"你们是用mysql数据库吧，能简单说说innodb中怎么实现这四大特性的么？“
你:"我只知道隔离性是怎么做的balabala~~"
面试官:"还是回去等通知吧~"

OK，回到正题。说到事务的四大特性原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability），懂的人很多。但是稍微涉及细节一点，这四大特性在数据库中的实现原理是怎么样的？那就没有几个人能够答得上来了。因此，我们这篇文章着重讨论一下四大特性在Mysql中的实现原理。

正文

我们以从A账户转账50元到B账户为例进行说明一下ACID，四大特性。

原子性

根据定义，原子性是指一个事务是一个不可分割的工作单位，其中的操作要么都做，要么都不做。即要么转账成功，要么转账失败，是不存在中间的状态！
如果无法保证原子性会怎么样？
OK，就会出现数据不一致的情形，A账户减去50元，而B账户增加50元操作失败。系统将无故丢失50元~

隔离性

根据定义，隔离性是指多个事务并发执行的时候，事务内部的操作与其他事务是隔离的，并发执行的各个事务之间不能互相干扰。
如果无法保证隔离性会怎么样？
OK，假设A账户有200元，B账户0元。A账户往B账户转账两次，金额为50元，分别在两个事务中执行。如果无法保证隔离性，会出现下面的情形

如图所示，如果不保证隔离性，A扣款两次，而B只加款一次，凭空消失了50元，依然出现了数据不一致的情形！

ps:可能有细心的读者已经发现了，mysql中是依靠锁来解决隔离性问题。嗯，我们后面来说明。

持久性

根据定义，持久性是指事务一旦提交，它对数据库的改变就应该是永久性的。接下来的其他操作或故障不应该对其有任何影响。

如果无法保证持久性会怎么样？
在Mysql中，为了解决CPU和磁盘速度不一致问题，Mysql是将磁盘上的数据加载到内存，对内存进行操作，然后再回写磁盘。好，假设此时宕机了，在内存中修改的数据全部丢失了，持久性就无法保证。

设想一下，系统提示你转账成功。但是你发现金额没有发生任何改变，此时数据出现了不合法的数据状态，我们将这种状态认为是数据不一致的情形。

一致性

根据定义，一致性是指事务执行前后，数据处于一种合法的状态，这种状态是语义上的而不是语法上的。
那什么是合法的数据状态呢？
oK，这个状态是满足预定的约束就叫做合法的状态，再通俗一点，这状态是由你自己来定义的。满足这个状态，数据就是一致的，不满足这个状态，数据就是不一致的！

如果无法保证一致性会怎么样？
例一:A账户有200元，转账300元出去，此时A账户余额为-100元。你自然就发现了此时数据是不一致的，为什么呢？因为你定义了一个状态，余额这列必须大于0。
例二:A账户200元，转账50元给B账户，A账户的钱扣了，但是B账户因为各种意外，余额并没有增加。你也知道此时数据是不一致的，为什么呢？因为你定义了一个状态，要求A+B的余额必须不变。

实战解答

问题一：Mysql怎么保证一致性的？
OK，这个问题分为两个层面来说。
从数据库层面，数据库通过原子性、隔离性、持久性来保证一致性。也就是说ACID四大特性之中，C(一致性)是目的，A(原子性)、I(隔离性)、D(持久性)是手段，是为了保证一致性，数据库提供的手段。数据库必须要实现AID三大特性，才有可能实现一致性。例如，原子性无法保证，显然一致性也无法保证。

但是，如果你在事务里故意写出违反约束的代码，一致性还是无法保证的。例如，你在转账的例子中，你的代码里故意不给B账户加钱，那一致性还是无法保证。因此，还必须从应用层角度考虑。

从应用层面，通过代码判断数据库数据是否有效，然后决定回滚还是提交数据！

问题二: Mysql怎么保证原子性的？
OK，是利用Innodb的undo log。
undo log名为回滚日志，是实现原子性的关键，当事务回滚时能够撤销所有已经成功执行的sql语句，他需要记录你要回滚的相应日志信息。
例如

• (1)当你delete一条数据的时候，就需要记录这条数据的信息，回滚的时候，insert这条旧数据
• (2)当你update一条数据的时候，就需要记录之前的旧值，回滚的时候，根据旧值执行update操作
• (3)当年insert一条数据的时候，就需要这条记录的主键，回滚的时候，根据主键执行delete操作

undo log记录了这些回滚需要的信息，当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。

ps:具体的undo log日志长啥样，这个可以写一篇文章了。而且写出来，看的人也不多，姑且先这么简单的理解吧。

问题三: Mysql怎么保证持久性的？
OK，是利用Innodb的redo log。
正如之前说的，Mysql是先把磁盘上的数据加载到内存中，在内存中对数据进行修改，再刷回磁盘上。如果此时突然宕机，内存中的数据就会丢失。
怎么解决这个问题？
简单啊，事务提交前直接把数据写入磁盘就行啊。
这么做有什么问题？

• 只修改一个页面里的一个字节，就要将整个页面刷入磁盘，太浪费资源了。毕竟一个页面16kb大小，你只改其中一点点东西，就要将16kb的内容刷入磁盘，听着也不合理。
• 毕竟一个事务里的SQL可能牵涉到多个数据页的修改，而这些数据页可能不是相邻的，也就是属于随机IO。显然操作随机IO，速度会比较慢。

于是，决定采用redo log解决上面的问题。当做数据修改的时候，不仅在内存中操作，还会在redo log中记录这次操作。当事务提交的时候，会将redo log日志进行刷盘(redo log一部分在内存中，一部分在磁盘上)。当数据库宕机重启的时候，会将redo log中的内容恢复到数据库中，再根据undo log和binlog内容决定回滚数据还是提交数据。

采用redo log的好处？
其实好处就是将redo log进行刷盘比对数据页刷盘效率高，具体表现如下

• redo log体积小，毕竟只记录了哪一页修改了啥，因此体积小，刷盘快。
• redo log是一直往末尾进行追加，属于顺序IO。效率显然比随机IO来的快。

ps:不想具体去谈redo log具体长什么样，因为内容太多了。

问题四: Mysql怎么保证隔离性的？
OK,利用的是锁和MVCC机制。还是拿转账例子来说明，有一个账户表如下
表名t_balance

其中id是主键，user_id为账户名，balance为余额。还是以转账两次为例，如下图所示

至于MVCC,即多版本并发控制(Multi Version Concurrency Control),一个行记录数据有多个版本对快照数据，这些快照数据在undo log中。
如果一个事务读取的行正在做DELELE或者UPDATE操作，读取操作不会等行上的锁释放，而是读取该行的快照版本。
由于MVCC机制在可重复读(Repeateable Read)和读已提交(Read Commited)的MVCC表现形式不同，就不赘述了。
但是有一点说明一下，在事务隔离级别为读已提交(Read Commited)时，一个事务能够读到另一个事务已经提交的数据，是不满足隔离性的。但是当事务隔离级别为可重复读(Repeateable Read)中，是满足隔离性的。

总结

本文讲了Mysql中事务ACID四大特性的实现原理，希望大家有所收获。