在實際的業務場景中，并發讀寫引出了事務控制的需求。主要關注事務的ACID和隔離性的4個級別。

ACID

事務指"一個被視為單一的工作單元的操作序列"。一個良好的事務處理系統，必須具備四個標準特性，即ACID：

1. 原子性（Atomicity）：一個事務必須被視為一個不可分割的最小工作單元，整個事務中的所有操作要么全部提交成功，要么全部失敗回滾，對于一個事務來說，不可能只執行其中的一部分操作。
2. 一致性（Consistency）：數據庫總是從一個一致性的狀態轉換到另一個一致性的狀態。
3. 隔離性（Isolation）：通常來說，一個事務所做的修改在最終提交以前，對其他事務是不可見的。針對不同的業務需求，隔離性分為4個級別：讀未提交、讀已提交、可重復讀、串行化。見下。
4. 持久性（Durability）：通常來說，一旦事務提交，則其所做的修改會永久保存到數據庫（即使系統崩潰，修改的數據也不會丟失）。針對不同的業務需求，持久性也分為多個級別，此處略。

隔離性的4個級別

在理解隔離性級別時，很容易混淆“幻讀”與“不可重復讀”的問題。這里先對4個隔離性級別給出概覽；然后分析原理，從實現角度理解各種問題；最后作出總結。

概覽

關注隔離性的4個級別，包括讀未提交（Read Uncommitted）、讀已提交（Read Committed）、可重復讀（Repeatable Read）、可序列化（Serializable）；及其對應的問題，包括臟讀（Dirty Read）、不可重復讀（Nonrepeatble Read）、幻讀（Phantom Read）。

讀未提交

讀未提交是數據庫應保證的最低的隔離性級別：事務中的修改，即使沒有提交，對其他事務也都是可見的。

讀未提交面臨臟讀的問題：事務可以讀取未提交的數據，而該數據可能在未來因回滾而消失。從性能上來說，讀未提交不會比其他的級別好太多，但卻缺乏其他級別的很多好處。除非真的有非常必要的理由，在實際應用中很少使用。

讀已提交

讀已提交滿足前面提到的隔離性的簡單定義：一個事務所做的修改在最終提交以前，對其他事務是不可見的。換句話說，一旦提交，該事務所作的修改對其他正在進行中的事務就是可見的。

狹義上，讀已提交解決了臟讀的問題。這個級別有時候叫做不可重復讀，面臨不可重復讀的問題：兩次執行同樣的查詢，如果第二次讀到了其他事務提交的結果，則會得到不一樣的結果。

大多數數據庫的默認隔離級別都是Read Committed，但MySQL不是。

可重復讀

在讀已提交的基礎上，可重復讀解決了部分不可重復的問題：同一個事務中多次讀取同樣記錄結果是一致的。記錄指具體的數據行。

未能解決的那部分稱為幻讀：當某個事務在讀取目標范圍內的記錄時，另一個事務又在該范圍內插入了新的記錄，當之前的事務再次讀取該范圍的記錄時，會產生第一次讀取范圍時不存在的幻行（Phantom Row）。需要注意的是，只有插入會產生幻行。

MySQL的默認隔離級別是可重復讀，有幻讀問題。

可序列化

可序列化是最高的隔離級別：強制事務序列化執行。

可序列化解決了幻讀問題。簡單來說，可序列化會在目標范圍加獨占鎖，將并發讀寫相同范圍數據的請求序列化。可序列化會導致大量的超時和鎖爭用問題，因此，實際應用中很少用到這個隔離級別，只有在非常需要確保數據的一致性而且可以接受沒有并發的情況下，才考慮采用該級別。

原理

討論基于鎖的并發控制中，4種隔離性級別的實現原理。重點關注讀鎖（read lock）、寫鎖（write lock，或稱排它鎖）、范圍鎖（range lock）、鎖的持有時間等概念。

讀未提交

讀未提交的實現：讀鎖、寫鎖都在一個原子操作（如select、insert等）完成后立即釋放。換句話說，事務作出更新后，不管是否提交，由于已經釋放了目標記錄的寫鎖，更新對其他事務就是可見的。

讀未提交存在臟讀問題，假設操作序列：

1. 事務1開始
2. 事務1讀取目標記錄
3. 事務2開始
4. 事務2修改目標記錄
5. 事務1讀取目標記錄
6. 事務2回滾
7. 事務1提交

操作5中，事務1讀到了事務2修改但未提交的記錄，然后事務2回滾導致修改丟失，也就稱事務1讀到了“臟數據”，即臟讀。

區分目標記錄與目標范圍（見后文可重復讀的實現原理）：

• 目標記錄指一個具體的數據行；讀鎖、寫鎖只針對目標記錄。
• 目標范圍指一個where語句描述的范圍；范圍鎖針對目標范圍，見后。

讀已提交

出現臟讀的原因是寫鎖的持有時間過短。讀已提交針對這一問題作出了優化：讀鎖仍然在一個原子操作完成后立即釋放；寫鎖從寫操作開始持有，事務提交后釋放。事務作出更新前，會先申請目標記錄的寫鎖，并持續持有至事務提交后，釋放鎖后，更新對其他事務才是可見的。

對于讀未提交中的操作序列，操作5發生時，由于事務2持有目標記錄的寫鎖，事務1會阻塞，直到事務2提交釋放該寫鎖，解決了臟讀問題。

讀已提交還存在不可重復讀問題。假設操作序列：

1. 事務1開始
2. 事務1讀取目標記錄
3. 事務2開始
4. 事務2修改目標記錄
5. 事務2提交
6. 事務1修改目標記錄
7. 事務1提交

操作5完成后，事務2的修改對事務1可見，從而操作6中，事務1會讀到修改，與操作2的結果不同，因此修改結果無法保證（如根據操作2讀取的結果做修改）；但是事務1在此之前未對目標記錄作出任何修改，因此事務1進行操作6時的狀態理應與操作2后一致（回顧事務的一致性要求）。以上即為不可重復讀。

不可重復讀與臟讀之間存在交叉。臟讀側重讀到不應存在的數據，不可重復讀強調兩次相同查詢的結果不一樣。實際上，可以將描述放寬到“目標記錄的狀態不符合預期狀態”，如本應該不同，卻讀到了相同。本質上也是由于讀已提交實現原理導致的問題。

可重復讀

解決不可重復讀可以使用兩種方法：

1. 悲觀策略：串行化
2. 樂觀策略：多版本 + 沖突檢測

悲觀策略：串行化

“串行化”不需要解釋，放棄并發、串行執行當然不存在任何問題。

“串行化”的可重復讀實現是：讀鎖、寫鎖從讀、寫操作開始持有，事務提交后釋放。與讀已提交的實現相比，可重復讀延長讀鎖的持有時間直到事務提交后，在此期間，目標記錄無法被修改。

對于讀已提交中的操作序列，操作2發生時，事務1開始持有目標記錄的讀鎖，導致事務2的操作4會陷入阻塞，直到事務1提交釋放鎖。

“串行化”不同于“可序列化”。為了區分，前、后文中均將隔離性級別稱為“可序列化”，將此處的悲觀策略稱為“串行化”。

樂觀策略：多版本 + 沖突檢測

“多版本 + 沖突檢測”是更常見的實現方案：多個事務采用多個版本，最后提交時檢測是否與當前數據版本沖突，如果沖突則報錯提醒，否則成功提交。

“多版本 + 沖突檢測”的可重復讀實現是：事務開始時持有當前數據的快照，讀寫均不沖突，提交時檢測修改的快照與當前數據是否沖突。使用樂觀的沖突檢測策略代替悲觀的鎖策略，在中低程度的并發情況下性能更好。

對于讀已提交中的操作序列，事務1、2各自持有不同版本的快照，在操作4修改自己版本的目標記錄后，操作5提交事務2，檢測不沖突（假設沒有其他事務），合并到當前數據，當前數據完成修改；然后操作6繼續修改自己版本的目標記錄，操作7提交事務1，發現與當前數據沖突，給出報錯。

幻讀問題

幻讀是一種特殊的不可重復讀。

為什么會出現幻讀問題呢？

Java的內置鎖以對象為單位，RDBMS的鎖呢？前面的注釋中略有介紹。為了提高并發性能，簡單的以數據表、數據庫為單位實現鎖的性能過低；標準SQL中，讀、寫鎖以記錄（數據行）為單位，范圍鎖以范圍（邏輯上的范圍，用where描述）為單位。如果沒有范圍鎖，那么顯然讀、寫鎖只能“鎖”在已存在的記錄上。假設操作序列，這次具體一些：

1. 事務1開始
2. 事務1統計表內數據的總行數
3. 事務2開始
4. 事務2插入一條新紀錄
5. 事務2提交
6. 事務1利用“舊的總行數+新的數據表內容”計算區分度
7. 事務1提交

該操作序列是讀已提交中操作序列的一個具體實例。因此，可以解決部分不可重復讀問題，不能解決的那部分就是幻讀了。

以基于鎖的“串行化”方案為例（“多版本+并發沖突”同理），假設不使用范圍鎖，則幻讀表現如下：由于事務2插入的記錄不獲取鎖，操作2獲取的讀鎖無法發揮作用，操作5提交事務2后，新記錄就對事務1可見了；操作6讀取時，事務1認為一致性依然滿足，便使用了舊的總行數，并重新讀表計算distinct count，卻讀到了一條意料之外的新紀錄，破壞了一致性——好像出現了幻覺一樣，這條新紀錄就被稱為“幻行”，該現象即“幻讀”。

可序列化

對于基于鎖的“串行化”方案，可序列化實現：從各操作開始前持有讀鎖、寫鎖、范圍鎖，直到事務提交后釋放。對于“多版本 + 沖突檢測”方案，可序列化基于更嚴格的寫沖突檢測來實現，詳見“快照隔離”技術，此處不展開。

范圍鎖如何解決幻讀問題呢？

范圍鎖是一個邏輯概念上的鎖，事務從讀、寫操作（帶顯式或隱式where）開始前持有范圍鎖，直到事務提交后釋放。忽略讀、寫鎖，對可重復讀中操作序列的影響如下：操作2中事務1獲取了目標范圍上的范圍鎖，操作4發現目標范圍被鎖，陷入阻塞，直到操作7事務提交。

隔離性級別的總結

各隔離級別解決了不同的問題。"Y"說明存在問題，"-"說明不存在：

在基于鎖的并發控制中，依靠不同的鎖持有時間實現各隔離級別。鎖均從操作前開始持有，"S"表示操作結束后釋放，"C"表示事務提交后釋放：

MySQL的默認隔離級別是可重復讀，解決了臟讀、部分不可重復讀問題，有幻讀問題。

參考：

• MySQL ACID及四種隔離級別的解釋
• 事務隔離
• 數據庫的事務隔離與鎖機制有什么差別和聯系，最近在看，感覺兩個很混亂~求解釋。?

本文鏈接：事務的ACID和四個隔離級別
作者：猴子007
出處：https://monkeysayhi.github.io
本文基于 知識共享署名-相同方式共享 4.0 國際許可協議發布，歡迎轉載，演繹或用于商業目的，但是必須保留本文的署名及鏈接。