程式員，知道MySQL中事務ACID的原理嗎?

引言

照例，我們先來一個場景~

面試官:”知道事務的四大特性麼?”
你:”懂，ACID嘛，原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔離性(Isolation)、永續性(Durability)！”
面試官：“你們是用mysql資料庫吧，能簡單說說innodb中怎麼實現這四大特性的麼？”
你:”我只知道隔離性是怎麼做的balabala~~”
面試官:”還是回去等通知吧~”

OK，回到正題。說到事務的四大特性原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）、永續性（Durability），懂的人很多。但是稍微涉及細節一點，這四大特性在資料庫中的實現原理是怎麼樣的？那就沒有幾個人能夠答得上來了。因此，我們這篇文章著重討論一下四大特性在Mysql中的實現原理。

正文

我們以從A賬戶轉賬50元到B賬戶為例進行說明一下ACID，四大特性。

原子性

根據定義，原子性是指一個事務是一個不可分割的工作單位，其中的操作要麼都做，要麼都不做。即要麼轉賬成功，要麼轉賬失敗，是不存在中間的狀態！
如果無法保證原子性會怎麼樣？
OK，就會出現資料不一致的情形，A賬戶減去50元，而B賬戶增加50元操作失敗。系統將無故丟失50元~

隔離性

根據定義，隔離性是指多個事務併發執行的時候，事務內部的操作與其他事務是隔離的，併發執行的各個事務之間不能互相干擾。
如果無法保證隔離性會怎麼樣？
OK，假設A賬戶有200元，B賬戶0元。A賬戶往B賬戶轉賬兩次，金額為50元，分別在兩個事務中執行。如果無法保證隔離性，會出現下麵的情形

如圖所示，如果不保證隔離性，A扣款兩次，而B只加款一次，憑空消失了50元，依然出現了資料不一致的情形！

ps:可能有細心的讀者已經發現了，mysql中是依靠鎖來解決隔離性問題。嗯，我們後面來說明。

永續性

根據定義，永續性是指事務一旦提交，它對資料庫的改變就應該是永久性的。接下來的其他操作或故障不應該對其有任何影響。

如果無法保證永續性會怎麼樣？
在Mysql中，為瞭解決CPU和磁碟速度不一致問題，Mysql是將磁碟上的資料載入到記憶體，對記憶體進行操作，然後再回寫磁碟。好，假設此時宕機了，在記憶體中修改的資料全部丟失了，永續性就無法保證。

設想一下，系統提示你轉賬成功。但是你發現金額沒有發生任何改變，此時資料出現了不合法的資料狀態，我們將這種狀態認為是資料不一致的情形。

一致性

根據定義，一致性是指事務執行前後，資料處於一種合法的狀態，這種狀態是語意上的而不是語法上的。
那什麼是合法的資料狀態呢？
oK，這個狀態是滿足預定的約束就叫做合法的狀態，再通俗一點，這狀態是由你自己來定義的。滿足這個狀態，資料就是一致的，不滿足這個狀態，資料就是不一致的！

如果無法保證一致性會怎麼樣？
例一:A賬戶有200元，轉賬300元出去，此時A賬戶餘額為-100元。你自然就發現了此時資料是不一致的，為什麼呢？因為你定義了一個狀態，餘額這列必須大於0。
例二:A賬戶200元，轉賬50元給B賬戶，A賬戶的錢扣了，但是B賬戶因為各種意外，餘額並沒有增加。你也知道此時資料是不一致的，為什麼呢？因為你定義了一個狀態，要求A+B的餘額必須不變。

實戰解答

問題一：Mysql怎麼保證一致性的？
OK，這個問題分為兩個層面來說。
從資料庫層面，資料庫透過原子性、隔離性、永續性來保證一致性。也就是說ACID四大特性之中，C(一致性)是目的，A(原子性)、I(隔離性)、D(永續性)是手段，是為了保證一致性，資料庫提供的手段。資料庫必須要實現AID三大特性，才有可能實現一致性。例如，原子性無法保證，顯然一致性也無法保證。

但是，如果你在事務裡故意寫出違反約束的程式碼，一致性還是無法保證的。例如，你在轉賬的例子中，你的程式碼裡故意不給B賬戶加錢，那一致性還是無法保證。因此，還必須從應用層角度考慮。

從應用層面，透過程式碼判斷資料庫資料是否有效，然後決定回滾還是提交資料！

問題二: Mysql怎麼保證原子性的？
OK，是利用Innodb的undo log。
undo log名為回滾日誌，是實現原子性的關鍵，當事務回滾時能夠撤銷所有已經成功執行的sql陳述句，他需要記錄你要回滾的相應日誌資訊。
例如

• (1)當你delete一條資料的時候，就需要記錄這條資料的資訊，回滾的時候，insert這條舊資料

• (2)當你update一條資料的時候，就需要記錄之前的舊值，回滾的時候，根據舊值執行update操作

• (3)當年insert一條資料的時候，就需要這條記錄的主鍵，回滾的時候，根據主鍵執行delete操作

undo log記錄了這些回滾需要的資訊，當事務執行失敗或呼叫了rollback，導致事務需要回滾，便可以利用undo log中的資訊將資料回滾到修改之前的樣子。

ps:具體的undo log日誌長啥樣，這個可以寫一篇文章了。而且寫出來，看的人也不多，姑且先這麼簡單的理解吧。

問題三: Mysql怎麼保證永續性的？
OK，是利用Innodb的redo log。
正如之前說的，Mysql是先把磁碟上的資料載入到記憶體中，在記憶體中對資料進行修改，再刷回磁碟上。如果此時突然宕機，記憶體中的資料就會丟失。
怎麼解決這個問題？
簡單啊，事務提交前直接把資料寫入磁碟就行啊。
這麼做有什麼問題？

• 只修改一個頁面裡的一個位元組，就要將整個頁面刷入磁碟，太浪費資源了。畢竟一個頁面16kb大小，你只改其中一點點東西，就要將16kb的內容刷入磁碟，聽著也不合理。

• 畢竟一個事務裡的SQL可能牽涉到多個資料頁的修改，而這些資料頁可能不是相鄰的，也就是屬於隨機IO。顯然操作隨機IO，速度會比較慢。

於是，決定採用redo log解決上面的問題。當做資料修改的時候，不僅在記憶體中操作，還會在redo log中記錄這次操作。當事務提交的時候，會將redo log日誌進行刷盤(redo log一部分在記憶體中，一部分在磁碟上)。當資料庫宕機重啟的時候，會將redo log中的內容恢復到資料庫中，再根據undo log和binlog內容決定回滾資料還是提交資料。

採用redo log的好處？
其實好處就是將redo log進行刷盤比對資料頁刷盤效率高，具體表現如下

• redo log體積小，畢竟只記錄了哪一頁修改了啥，因此體積小，刷盤快。

• redo log是一直往末尾進行追加，屬於順序IO。效率顯然比隨機IO來的快。

ps:不想具體去談redo log具體長什麼樣，因為內容太多了。

問題四: Mysql怎麼保證隔離性的？
OK,利用的是鎖和MVCC機制。還是拿轉賬例子來說明，有一個賬戶表如下
表名t_balance

其中id是主鍵，user_id為賬戶名，balance為餘額。還是以轉賬兩次為例，如下圖所示

至於MVCC,即多版本併發控制(Multi Version Concurrency Control),一個行記錄資料有多個版本對快照資料，這些快照資料在undo log中。

如果一個事務讀取的行正在做DELELE或者UPDATE操作，讀取操作不會等行上的鎖釋放，而是讀取該行的快照版本。
由於MVCC機制在可重覆讀(Repeateable Read)和讀已提交(Read Commited)的MVCC表現形式不同，就不贅述了。
但是有一點說明一下，在事務隔離級別為讀已提交(Read Commited)時，一個事務能夠讀到另一個事務已經提交的資料，是不滿足隔離性的。但是當事務隔離級別為可重覆讀(Repeateable Read)中，是滿足隔離性的。

總結

本文講了Mysql中事務ACID四大特性的實現原理，希望大家有所收穫。