Metaphor

数据库事务隔离级别

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基本概念

事务是数据库操作的最小逻辑单元，具有 ACID 四大特性：

特性说明
原子性（Atomicity）事务要么全部成功，要么全部失败回滚
一致性（Consistency）事务执行前后，数据库状态保持一致
隔离性（Isolation）并发事务相互隔离，不互相干扰
持久性（Durability）事务提交后，其结果永久保存

隔离性是本篇讨论的重点。

四种隔离级别

SQL 标准定义了四种隔离级别，从低到高：

隔离级别脏读不可重复读幻读
读未提交（Read Uncommitted）可能可能可能
读已提交（Read Committed）不可能可能可能
可重复读（Repeatable Read）不可能不可能可能
串行化（Serializable）不可能不可能不可能

1. 读未提交（Read Uncommitted）

最低级别，事务可以读取其他事务未提交的数据。

-- 事务A
BEGIN;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;  -- 未提交
 
-- 事务B（读未提交）
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1;  -- 可能读到 900（脏读）

问题：脏读（Dirty Read）—— 读取到未确认的数据。

2. 读已提交（Read Committed）

只能读取已提交事务的数据。Oracle、PostgreSQL 默认级别。

-- 事务A
BEGIN;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
COMMIT;  -- 提交
 
-- 事务B（读已提交）
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1;  -- 读到 900

问题：不可重复读（Non-repeatable Read）—— 同一事务内两次读取同一行，结果可能不同。

3. 可重复读（Repeatable Read）

MySQL InnoDB 默认级别。同一事务内多次读取同一行，结果始终相同。

-- 事务B
BEGIN;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1;  -- 读到 1000
-- 事务A此时修改了 id=1 的 balance 并提交
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1;  -- 仍读到 1000（同一快照）
COMMIT;

问题：幻读（Phantom Read）—— 同一事务内，两次查询返回的行数不同。

4. 串行化（Serializable）

最高级别，事务顺序执行，完全避免并发问题。但性能最差。

并发问题详解

脏读（Dirty Read）

读取到其他事务未提交的数据：

时间事务A事务B
T1BEGIN
T2BEGIN
T3UPDATE SET balance=900
T4SELECT balance=900（脏读）
T5ROLLBACK
T6COMMIT（基于错误数据）

不可重复读（Non-repeatable Read）

同一事务内，两次读取同一行数据不同：

时间事务A事务B
T1BEGIN; SELECT balance=1000
T2BEGIN
T3UPDATE SET balance=900; COMMIT
T4SELECT balance=900（不一致）
T5COMMIT

幻读（Phantom Read）

同一事务内，两次查询返回的记录数不同：

时间事务A事务B
T1BEGIN; SELECT COUNT(*) FROM orders=5
T2BEGIN
T3INSERT INTO orders…; COMMIT
T4SELECT COUNT(*) FROM orders=6（幻读）
T5COMMIT

MVCC 多版本并发控制

基本原理

MVCC（Multi-Version Concurrency Control）通过保存数据的多个版本来实现高并发：

  • 写操作：不直接覆盖旧数据，而是创建新版本
  • 读操作：根据事务时间戳，读取合适的历史版本
  • 垃圾回收：定期清理不再需要的旧版本

InnoDB 的 MVCC 实现

InnoDB 通过以下字段实现 MVCC：

-- 隐藏列（对用户不可见）
每行数据包含：
- DB_TRX_ID: 最近修改该行的事务ID
- DB_ROLL_PTR: 指向 undo log 的指针
- DB_ROW_ID: 行ID（聚簇索引）

Read View

Read View 是快照的核心，包含：

  • m_ids：活跃事务ID列表
  • min_trx_id：最小活跃事务ID
  • max_trx_id：创建Read View时最大事务ID
  • creator_trx_id：当前事务ID

可见性判断规则

if (row.trx_id == creator_trx_id) {
    // 自己修改的，当前事务可见
    return true;
}
if (row.trx_id < min_trx_id) {
    // 事务已提交，当前事务可见
    return true;
}
if (row.trx_id in m_ids) {
    // 有活跃事务修改过，当前事务不可见
    return false;
}
return true;  // 已提交事务修改的，可见

快照读 vs 当前读

类型说明示例
快照读（Snapshot Read）读取历史版本，不加锁SELECT * FROM t
当前读（Current Read）读取最新数据，加锁SELECT * FROM t FOR UPDATE
-- 快照读：不加锁，读取历史版本
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1;
 
-- 当前读：加锁，读取最新数据
SELECT * FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE;

隔离级别实现（MySQL InnoDB）

读未提交

直接读取最新版本，无任何控制。

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

读已提交

每次读取都创建新的 Read View：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

可重复读

事务开始时创建 Read View，整个事务期间使用同一个快照：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

串行化

所有读取都加锁，转化为串行执行：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

Next-Key Lock 解决幻读

InnoDB 在可重复读级别下使用 Next-Key Lock 来防止幻读：

记录锁（Record Lock）

锁定索引记录本身：

SELECT * FROM orders WHERE id = 10 FOR UPDATE;
-- 锁定 id=10 的索引记录

间隙锁（Gap Lock）

锁定索引记录之间的间隙：

SELECT * FROM orders WHERE id BETWEEN 5 AND 15 FOR UPDATE;
-- 锁定 (5, 15) 区间，不允许插入

Next-Key Lock

记录锁 + 间隙锁的组合：

索引 1, 3, 5, 7, 9

对 id=5 加锁时，Next-Key Lock 锁定：
- 记录锁：锁定 id=5
- 间隙锁：锁定 (3, 5) 和 (5, 7)

实战建议

选择隔离级别

场景推荐级别原因
金融交易Serializable数据一致性最高
普通业务Repeatable ReadMySQL默认，平衡性能与一致性
日志分析Read Committed只关心已提交数据
高并发读取Read Committed减少锁竞争

避免长事务

-- 监控长事务
SELECT * FROM information_schema.INNODB_TRX 
WHERE trx_started < NOW() - INTERVAL 60 SECOND;
 
-- 优化建议
1. 减少事务内操作数量
2. 及时提交/回滚
3. 使用批量操作减少交互次数

理解 MVCC 的代价

-- MVCC 维护多版本，有以下开销：
1. 存储空间：旧版本占用额外空间
2. 垃圾回收：定期清理过期版本
3. 查找开销：定位正确版本需要判断
 
-- 监控表大小
SELECT TABLE_NAME, 
       (DATA_LENGTH + INDEX_LENGTH) / 1024 / 1024 AS 'MB'
FROM information_schema.TABLES
WHERE TABLE_SCHEMA = 'your_database';

参考资料

关系图谱