作者介紹

李為，現(xiàn)任金融行業(yè)核心業(yè)務系統(tǒng)DBA，主要涉及DB2、Oracle、MySQL等數(shù)據(jù)庫開發(fā)工作。

數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制機制，顧名思義，是用來控制數(shù)據(jù)庫的并發(fā)操作的機制。控制的目的是為了保證數(shù)據(jù)完整和數(shù)據(jù)一致性。

何為數(shù)據(jù)一致性？在數(shù)據(jù)庫的并發(fā)操作中，多個事務同時讀取同一份數(shù)據(jù)，要保證多個事務讀取的同一份數(shù)據(jù)是準確的。

可能數(shù)據(jù)的不一致更好理解。例如事務T1、T2同時更新余額為1000余額表， T1減100元，更新余額為900元，T2減500元，更新余額為500元;在T2不知道T1已經(jīng)更新的情況下直接把余額更新為500元，丟失了T1對余額的更新，此時的數(shù)據(jù)不能反映真實情況，數(shù)據(jù)變得不一致。并發(fā)事務處理過程中，還可能出現(xiàn)事務T1修改了一條記錄，事務T2讀取該記錄后，事務T1被撤銷，此時T2讀取的數(shù)據(jù)就與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不一致，該數(shù)據(jù)就為“臟”數(shù)據(jù)。

因此并發(fā)操作中，需要確保事務的隔離性以保證數(shù)據(jù)的一致性。那么如何確保事務的隔離性呢？接下來，我們將對DB2、MySQL和Oracle三種數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制機制進行比較分析。

數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性支持機制：事務、鎖、日志。

首先我們看看什么是事務。

一、事務

事務：又稱為交易，訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的可恢復的最小單元。

1、事務的ACID

原子性（Atomicity）：事務為一個整體的工作單元，事務對數(shù)據(jù)庫的操作要么全部執(zhí)行，要么全部取消;

一致性（Consistency）：事務完成時，所有數(shù)據(jù)都保持一致狀態(tài);

隔離性（Isolation）：事務所做的修改必須與其他事務所做的修改隔離。事務查看數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)的狀態(tài)要么為其他事務修改之前要么為其他事務修改之后，不會為中間狀態(tài)。即多個事務不能同時修改同一份數(shù)據(jù);

持久性（Durability）：事務提交后，對數(shù)據(jù)庫所做的修改會永久保存。

2、事務的初始化和終止

事務在可執(zhí)行的SQL第一次執(zhí)行時會自動初始化，事務一旦初始化，就必須終止（COMMIT或ROLLBACK）。

1）關于事務的COMMIT和ROLLBACK

多數(shù)情況下，事務通過執(zhí)行COMMIT或ROLLBACK終止事務。執(zhí)行COMMIT語句后，事務初始化后對數(shù)據(jù)庫做出的所有改變都會變成永久的;執(zhí)行ROLLBACK語句后，事務初始化后對數(shù)據(jù)庫做出的所有改變都會被撤銷，數(shù)據(jù)庫返回事務開始之前的狀態(tài)。

2）關于不成功的事務的結果

上面說了當事務被COMMIT或ROLLBACK終止語句后會發(fā)生什么，如果事務完成之前系統(tǒng)發(fā)生故障，會發(fā)生什么？這種情況下，數(shù)據(jù)庫管理器將撤銷所有未COMMIT的修改，從而恢復數(shù)據(jù)的一致性。

DB2中通過ACTIVE LOG日志文件實現(xiàn)撤銷修改。日志文件包含關于事務執(zhí)行的每個語句的信息，以及事務是否被成功COMMIT或ROLLBACK的信息。

MySQL和Oracle利用undo log撤銷修改。undo log記錄了行的修改操作，執(zhí)行事務中由于某種原因失敗，或使用ROLLBACK時，就可以利用undo log將數(shù)據(jù)恢復到修改之前的樣子。

3、事務的隔離級別

1）潛在問題

事務為什么需要多種可以設置的隔離級別呢？通常，鎖可以實現(xiàn)并發(fā)操作中事務的隔離，保證數(shù)據(jù)的一致性。鎖提高了并發(fā)性能，但會帶來潛在的問題：

臟讀：當前事務可以讀到另外一個事務中未提交的數(shù)據(jù)。

不可重復讀：在一個事務內(nèi)讀到的同一條數(shù)據(jù)是不一樣的。

幻讀：事務A在相同條件下第二次讀取時讀到新插入的數(shù)據(jù)。

丟失更新：一個事務的更新操作會被另一個事務的更新操作所覆蓋，從而導致數(shù)據(jù)的不一致。 例如：

事務T1將行記錄修改為V1，事務T1未提交。

事務T2將行記錄修改為V2，事務T2未提交。

事務T1提交。

事務T2提交。

在當前數(shù)據(jù)庫的鎖機制下不會導致理論意義上的丟失更新問題，但是實際上在所有多用戶計算機系統(tǒng)環(huán)境下都有可能產(chǎn)生這個問題。例如：

事務T1查詢一行數(shù)據(jù)，放入本地內(nèi)存，顯示給User1。

事務T2查詢一行數(shù)據(jù)，放入本地內(nèi)存，顯示給User2。

User1修改這行記錄，更新數(shù)據(jù)庫并提交。

User2修改這行記錄，更新數(shù)據(jù)庫并提交。

這些問題往往和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的使用方式和形態(tài)有關。而設置事務的隔離級別，就是根據(jù)不同的場景來解決以上問題。比如上面所說的丟失更新問題，隔離級別中SELECT…FOR UPDATE即帶有更新意圖讀的時候，步驟1、2都是要上寫鎖的，避免丟失更新的問題。下面詳解數(shù)據(jù)庫的隔離級別及其加鎖方式。

2）數(shù)據(jù)庫的隔離級別及其加鎖方式

① SQL標準定義的四個隔離級別

READ UNCOMMITTED：未提交讀。事務可以看到其他事務所有未提交的數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)不加鎖;

READ COMMITTED：提交讀。事務只可以看到其他事務已經(jīng)提交的數(shù)據(jù);

REPEATABLE READ：重復度。鎖定事務引用的符合檢索條件的部分行，其他事務不可修改這些行，但可執(zhí)行INSERT操作。即可能出現(xiàn)幻讀;

SERIALIZABLE：可串行化。強制的進行排序，在每個讀數(shù)據(jù)行上添加鎖，所有事務依次逐個執(zhí)行，事務之間不會產(chǎn)生干擾。事務提交后釋放鎖。會導致大量超時現(xiàn)象和鎖競爭。

② 四種隔離級別會導致的問題

隔離級別臟讀不可重復讀幻讀

READ UNCOMMITTED√√√

READ COMMITTED×√√

REPEATABLE READ××√

SERIALIZABLE×××

③ 數(shù)據(jù)庫中的隔離級別

DB2中的隔離級別：

CS（Cursor Stability）：游標穩(wěn)定性。逐行鎖定數(shù)據(jù)，該行數(shù)據(jù)未修改時，鎖定解除，繼續(xù)加鎖讀取下一行，該行數(shù)據(jù)有修改時，則該行鎖定持續(xù)到事務終止。CS的程序不能查看其他程序未COMMIT的更改。

CS提供了最大的并發(fā)性。但同一事務同一游標被處理兩次，可能返回不同的結果，即不可重復度;CS程序讀取的行上有任何可更新游標時，其他任何應用程序都不能更新或刪除該行。

CS是DB2默認的隔離級別。在需要最大并行性但只能看到其他程序已COMMIT的數(shù)據(jù)時使用。

RR（Repeatable Read）：可重復讀。RR會鎖定事務引用的所有行，直到COMMIT。其他程序不能修改該數(shù)據(jù)，如果一條數(shù)據(jù)被訪問兩次，返回相同的結果。

RR是最高隔離級別，可以最好的保證數(shù)據(jù)一致性，但是大量鎖定數(shù)據(jù)，會導致并發(fā)度大大降低，同時有可能超過系統(tǒng)定義的持有鎖數(shù)量的限制。

相當于標準定義隔離級別中的SERIALIZABLE相比，上鎖范圍一致。

RS（Read Stability）：讀穩(wěn)定性。RS會鎖定事務引用的所有行中符合檢索條件的部分行。其他程序不可修改，但可執(zhí)行INSERT操作，所以同一事務中，如果數(shù)據(jù)被訪問兩次可能返回新插入的數(shù)據(jù)，即幻讀，但是舊數(shù)據(jù)不會有改變。

相比RR，RS鎖定數(shù)據(jù)的數(shù)量大大減少，并發(fā)度得到提升。比較適合在并發(fā)環(huán)境下運行，但只適合在同一事物中不會多次發(fā)出相同查詢，或不要求相同查詢獲得相同結果的程序，避免發(fā)生幻讀。

DB2的RS和標準定義隔離級別中的REPEATABLE READ（重復讀）類似，避免了臟讀，但是會出現(xiàn)幻讀問題。

UR（Uncommitted Read）：未提交讀，也就是“臟”讀。UR不會加任何鎖，可以讀數(shù)據(jù)庫中的任何數(shù)據(jù)，包含已修改但未COMMIT的數(shù)據(jù)。讀的數(shù)據(jù)可能與真實的數(shù)據(jù)有一定差距。

UR級別最常用于只讀表上的查詢，或者只執(zhí)行查詢且不關心能否讀到其他程序未COMMIT的數(shù)據(jù)時常用。

UR相當于標準定義隔離級別中的READ UNCOMMITTED（未提交讀）。

MySQL支持標準定義的四種隔離級別，默認的隔離級別為REPEATABLE READ（重復度），但是與標準SQL不同的是，MySQL的InnoDB存儲引擎在REPEATABLE READ的隔離級別下，使用Next-Key Lock（鎖定一個范圍，并鎖定記錄本身），因此避免幻讀的產(chǎn)生。所以說InnoDB存儲引擎在REPEATABLE READ的隔離級別下已經(jīng)能保證事務的隔離性要求，即達到SQL標準的SERIALIZABLE隔離級別。

Oracle數(shù)據(jù)庫支持READ COMMITTED（提交讀）和SERIALIZABLE這兩種事務隔離級別。默認的隔離級別是READ COMMITTED（提交讀）。

二、鎖

事務隔離級別是并發(fā)控制的整體解決方案，其實際上是綜合利用各種類型的鎖和行版本控制來解決并發(fā)問題。

這里我們主要看數(shù)據(jù)庫中的基本鎖。

1、鎖的類型

S-LOCK：共享鎖。又叫讀鎖，當用戶要進行數(shù)據(jù)的讀取時，對數(shù)據(jù)加上共享鎖。共享鎖可以同時加多個;

X-LOCK：排他鎖。又叫寫鎖。SQL INSERT/UPDATE/DELETE語句執(zhí)行時會上X-LOCK。排他鎖只可以加一個，和其他的排他鎖共享鎖都相斥;

U-LOCK：修改鎖。CURSOR SELECT 有UPDATE OF 子句時，F(xiàn)ETCH時對讀出的記錄，會上U-LOCK。

DB2、MySQL、Oracle都支持S-LOCK和X-LOCK，DB2還支持U-LOCK。

2、事務隔離級別中讀數(shù)據(jù)時的鎖類型

如上，數(shù)據(jù)庫在各種隔離級別下，SQL執(zhí)行INSERT/UPDATE/DELETE語句時都會上X-LOCK，那么在讀數(shù)據(jù)時如何上鎖呢？

DB2和MySQL在Uncommitted Read隔離級別下，不加任何鎖。

1）DB2

DB2在另外三種CS、RR、RS隔離級別時，SELECT語句，或CURSOR SELECT無UPDATE OF子句，F(xiàn)ETCH時對讀出的記錄會上S-LOCK，不同的是，CS在讀取下一行數(shù)據(jù)時就釋放上一行的鎖，RR、RS在事務提交時才釋放鎖;SELET…FOR UPDATE對讀取的數(shù)據(jù)都是加U鎖，CS在讀取下一行數(shù)據(jù)時就釋放上一行的鎖，RR、RS在事務提交時才釋放鎖;INSERT/UPDATE/DELETE語句執(zhí)行時會上X-LOCK，CS、RR、RS都是在事務提交時才釋放X鎖，其他事務不能對已鎖定的行加任何鎖。

2）MySQL

MySQL的InnoDB在隔離級別READ COMMITED 和 REPEATABLE READ（MySQL的默認隔離級別）下SELECT時不上鎖，即MySQL中的一致性非鎖定讀;只有指定SELECT…LOCK IN SHARE MOAD才對記錄上S-LOCK，SERIALIZABLE隔離級別下SELECT對記錄上S-LOCK;三種隔離級別下，SELET…FOR UPDATE對讀取的數(shù)據(jù)都是加X鎖，在MySQL中叫做一致性鎖定讀。

3）Oracle

Oracle中只支持READ COMMITED和SERIALIZABLE隔離級別。這兩種隔離級別下的鎖機制和InnoDB一致。Oracle中不需要READ UNCOMMITTED隔離級別，是因為READ UNCOMMITTED主要功能是提高只讀時的并發(fā)性，而Oracle在READ COMMITED隔離級別下使用一致性非鎖定讀也有同樣的功能。

3、一致性非鎖定讀

隔離級別READ COMMITED 和 REPEATABLE READ（MySQL的默認隔離級別）都使用一致性非鎖定讀， SELECT時不上鎖，那么如何保證事務的隔離性呢？這兩種隔離級別采用快照數(shù)據(jù)的方式保證隔離性。讀取時對于上了X鎖的數(shù)據(jù)，都會去讀取行的一個快照數(shù)據(jù)。快照數(shù)據(jù)是指該行的之前版本的數(shù)據(jù)，通過undo段實現(xiàn)。而undo段用來在事務中回滾數(shù)據(jù)，因此快照數(shù)據(jù)本身沒有額外的開銷。

READ COMMITED 和 REPEATABLE READ兩種隔離級別在讀快照數(shù)據(jù)時的區(qū)別是，RC總是讀取最新的快照數(shù)據(jù)，所以可能會發(fā)生不可重復讀，即第二次讀取的數(shù)據(jù)和第一次不一致;而RR總是讀取事務開始時的快照，所以不會發(fā)生不可重復度。

非鎖定讀機制不會等待行上X鎖的釋放，極大的提高了數(shù)據(jù)庫的并發(fā)性。是InnoDB的默認讀取方式。

三、小結

并發(fā)控制在保證數(shù)據(jù)一致性的前提下提供最大的并發(fā)性，而保證數(shù)據(jù)一致性的前提就是保證事務的隔離性，事務的隔離性和并發(fā)性是成反比的，隔離級別越高，并發(fā)性越低。所以程序要視并發(fā)性和隔離性的輕重選擇隔離級別。