概念——回忆数据库事务
本文内容
- 事务 ACID 特征
- 并发调度——隔离级别
- 加锁机制
- 加锁协议
数据库事务，简称事务，是一组按顺序执行的操作单元。
事务 ACID 特征
事务有四个特征，称为 ACID：
- 原子性（Atomic）- 事务必须同时成功或同时失败。
比如，ATM 取钱和记入客户账户是一个原子事务。如果 ATM 只是吐出钱，而未记入账户，或是已记入账户，但没有吐出钱。这两种情况都是不允许的。
- 一致性（Consistency）- 事务必须遵循某个规则或法律协议系统。简单说，就是符合我们的所有期望。
事务必须以一种遵循系统规则的方式，成功地选择、插入、更新或删除记录。不遵循规则的事务，不能提交。如果没有绝对的规则，则持久性（数据完整性）将没有保证。比如，航班数据库，一个座位不能分配给两名不同的乘客。这就是一个一致性。在事务处理过程中的某个时刻，乘客之间可能需要调换座位，这可能会违背这个约束。但事务结束后，事务必须保证数据库满足所有的一致性条件。
- 隔离性（Isolation）- 用户不能看到其他用户的事务，直到那些事务全部完成并提交。
事务并发时，一个事务不应影响其他事务。事务之间是隔离的。比如，两个机票售票口，正在出售同一个航班的座位，而该航班只剩下一个座位，那么，只能满足一个售票口的请求，而拒绝另一个。如果由于并发操作而导致同一个座位卖给了两位乘客，或是没卖出去，都是不允许的。
- 持久性（Durability）- 事务必须持久有效。
事务一旦被提交，即使系统出现故障，也要保证事务的结果不能丢失。许多灾难性条件可能导致记录无法永久性保存到磁盘，包括电源、网络、系统和硬盘等设备的失败。数据丢失还可能由于心怀不满的员工或黑客的恶意操作引起。
但是，持久性不是自动化过程。DBA的主要职责之一就是创建并维护数据恢复策略。
James Nicholas Gray、Theo Haerder 和 Andreas Reuter 这三人为术语“数据库 ACID 测试”做出了很大贡献。
- James Nicholas Gray。他早在 1981 年，就为 Tandem Computers, Inc. 公司编写了白皮书 "The Transaction Concept: Virtues and Limitations"。在这篇文章中，Gray 认为事务应该是合法的、绑定的，并且必须具备如下特征：一致性、原子性、持久性。最后，他大致定义了提交（commit）、回滚（rollback）、取消（undo）和重做（redo）日志文件。这篇文章在当时很有前瞻性的，对现代数据库系统的影响非常显著。
- Theo Haerder 和 Andreas Reuter 为美国计算机协会（Association for Computing Machinery，ACM）写了一篇后续文章，题为 "Principles of Transaction-Oriented Database Recovery"。在这篇文章中，他们进一步扩展了 Gray的思想，增加了“事务必须相互隔离”的思想。新的事物特性如下：原子性、一致性、隔离性、持久性。
并发调度——隔离级别
如果对并发操作不进行合理调度，那么，会破坏事务 ACID 特性。可能会带来如下问题：
- 影子读取（丢失修改）：一个事务读取了另一个事务已提交的数据。
例如，假设，两个事务 T1 和 T2：
事务 T1 和 T2 都从数据库读入同一记录，并各自修改数据，在两个事务都完成了读入数据的操作以后，T1 先完成修改操作，并将更新的数据写回数据库。
随后，T2 也完成了修改，并将结果写回数据库，这样就覆盖了 T1 的操作结果，导致 T1 对该数据的修改好像从未发生过。
这种情形称为“丢失修改”。
- 脏读取（dirty read）：一个事务读取了未提交的事务。
例如，假设，两个事务 T1 和 T2：
事务 T1 修改了某个数据，并将其写回数据库。事务 T2 随之读入这个被 T1 修改过的数据，之后 T1 出于某种原因又撤销了，它所修改的数据被恢复。
这时，T2 所读取的数据就与数据库中的数据不同。
这种情形称为“脏读取”。
- 不可重复读取（non-repeatable read）：一个事务多次读取同一个数据的返回结果不同。
例如，假设，两个事务 T1 和 T2：
事务 T1 按一定条件从数据库读取某些数据。随后，事务 T2 对其进行修改，并将其结果写回数据库。当 T1 再次按同一条件读取数据时，结果发现已经跟刚才不一样了。有些可能发生改变，有些可能已经删除，还可能增加了某些数据。
这种情况称为“不可重复读取”。
为了解决事务之间并发带来的问题，必须在事务之间建立隔离关系。如果应用程序使用完全隔离的事务，那么，同时执行多个事务的效果将完全等效于串行（一个接一个地）执行。隔离级别如下表所示。
| 隔离级别 | 脏读 | 不可重复读取 | 影子读取 | 描述 |
| 可序列化 （SERIALIZABLE） | 不可能 | 不可能 | 不可能 | 最严格的级别。事务串行执行，资源消耗最大 |
| 可重复读取 （REPEATABLE READ） | 不可能 | 不可能 | 可能 | 读取数据的事务允许其他事务继续访问该行数据，但未提交的写事务将会禁止其他事务访问该行。避免“脏读取”和“不可重复读取”，只是带来更多的性能损失 |
| 未提交读取 （READ UNCOMMITED） | 不可能 | 可能 | 可能 | 最低的事务隔离级别，保证读取过程中不会读取到非法数据
|
| 提交读取 （READ COMMITTED）
| 可能 | 可能 | 可能 | 大多数主流数据库的默认事务等级，保证了一个事务不会读到另一个并行事务已修改但未提交的数据，避免了“脏读取”。该级别适用于大多数系统 |
加锁机制
数据库采用锁机制来实现事务隔离。
- 共享锁（share lock，S 锁，读锁）：共享锁用于读取数据操作，它允许其他事务同时读取某锁定的资源，但不允许其他事务更新它——可以读，但不能改。
例如，事务 T 对数据 A 加了 S 锁，则 T 就可以对 A 进行读取，但不能修改；在 T 释放 A 上的 S 锁前，其他事务可以再对 A 加 S 锁，但不能加 X 锁，这样，可以读取 A，但不能修改 A。
- 排他锁（exclusive lock，X 锁，写锁）：排它锁用于修改数据的场合。它锁定的资源，其他事务不能读取也不能修改——读都不让，更不用说改。
例如，若事务 T 对数据 A 加了 X 锁，则 T 就可以对 A 进行读取，以及修改 A；在 T 释放 A 上的 X 锁前，任何事务都不能对 A 加任何类型的锁，这样也就不能读取和修改 A。
加锁协议
为了保证并发控制的正确性，在使用加锁机制时，必须遵循一定原则，如何时申请 X 锁或 S 锁，何时释放锁等。不同的加锁协议（locking protocol）约定不同——保证数据一致性的三级锁协议和保证并行调度的两段锁（two-phase locking）协议，为并发提供不同程度的保证。
