事务隔离级别与 MVCC 的详细讲解

1. 事务并发执行遇到的问题

在多个事务并发执行时，如果不加控制，可能会产生以下问题（按严重性排序）：

脏写（Dirty Write）：如果一个事务修改了另一个未提交事务修改过的数据。这是最严重的问题，任何隔离级别都不允许发生。
脏读（Dirty Read）：如果一个事务读到了另一个未提交事务修改过的数据。
不可重复读（Non-Repeatable Read）：如果一个事务只能读到另一个已经提交的事务修改过的数据，并且其他事务每对该数据进行一次修改并提交后，该事务都能查询得到最新值。
幻读（Phantom）：如果一个事务先根据某些条件查询出一些记录，之后另一个事务又向表中插入了符合这些条件的记录，原先的事务再次按照该条件查询时，能把另一个事务插入的记录也读出来。
- 注：幻读重点强调读取到了之前读取没有获取到的记录。

2. SQL 标准与 MySQL 中的隔离级别

SQL 标准设立了 4 个隔离级别，针对不同级别，并发事务可能发生的问题如下：

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
READ UNCOMMITTED (未提交读)	可能	可能	可能
READ COMMITTED (已提交读)	不可能	可能	可能
REPEATABLE READ (可重复读)	不可能	不可能	可能
SERIALIZABLE (可串行化)	不可能	不可能	不可能

MySQL 的特殊情况：

MySQL 支持上述 4 种隔离级别。
默认隔离级别为 REPEATABLE READ。
与 SQL 标准不同，MySQL 在 REPEATABLE READ 隔离级别下，是可以禁止幻读问题的发生的。

设置隔离级别：
可以通过以下语句修改事务隔离级别：

SET [GLOBAL|SESSION] TRANSACTION ISOLATION LEVEL level;

level 可选值：REPEATABLE READ, READ COMMITTED, READ UNCOMMITTED, SERIALIZABLE。

GLOBAL：只对执行完该语句之后产生的会话起作用。
SESSION：对当前会话的所有后续事务有效。
都不加：只对当前会话中下一个即将开启的事务有效。

3. MVCC（多版本并发控制）原理

MVCC 是指在使用 READ COMMITTED、REPEATABLE READ 这两种隔离级别的事务在执行普通的 SELECT 操作时访问记录的版本链的过程。这使得不同事务的读 - 写、写 - 读操作并发执行，从而提升系统性能。

3.1 隐藏列与版本链

对于使用 InnoDB 存储引擎的表，聚簇索引记录中包含两个必要的隐藏列：

trx_id：每次一个事务对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把该事务的事务 id 赋值给 trx_id 隐藏列。
roll_pointer：每次对某条聚簇索引记录进行改动时，都会把旧的版本写入到 undo 日志中，这个隐藏列相当于一个指针，可以通过它找到该记录修改前的信息。

每次对记录进行改动，都会记录一条 undo 日志，每条 undo 日志也都有一个 roll_pointer 属性（INSERT 操作对应的 undo 日志没有该属性）。可以将这些 undo 日志连起来，串成一个链表，称之为版本链。版本链的头节点就是当前记录最新的值。

3.2 ReadView

为了判断版本链中的哪个版本是当前事务可见的，InnoDB 提出了 ReadView 的概念。ReadView 主要包含 4 个重要内容：

m_ids：表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务的事务 id 列表。
min_trx_id：表示在生成 ReadView 时当前系统中活跃的读写事务中最小的事务 id。
max_trx_id：表示生成 ReadView 时系统中应该分配给下一个事务的 id 值。
creator_trx_id：表示生成该 ReadView 的事务的事务 id。

可见性判断规则：
在访问某条记录时，按照以下步骤判断记录的某个版本是否可见：

如果被访问版本的 trx_id 属性值与 ReadView 中的 creator_trx_id 值相同，意味着当前事务在访问它自己修改过的记录，该版本可见。
如果被访问版本的 trx_id 属性值小于 ReadView 中的 min_trx_id 值，表明生成该版本的事务在当前事务生成 ReadView 前已经提交，该版本可见。
如果被访问版本的 trx_id 属性值大于 ReadView 中的 max_trx_id 值，表明生成该版本的事务在当前事务生成 ReadView 后才开启，该版本不可见。
如果被访问版本的 trx_id 属性值在 ReadView 的 min_trx_id 和 max_trx_id 之间，那就需要判断一下 trx_id 属性值是不是在 m_ids 列表中：
- 如果在，说明创建 ReadView 时生成该版本的事务还是活跃的，该版本不可见。
- 如果不在，说明创建 ReadView 时生成该版本的事务已经被提交，该版本可见。

如果某个版本的数据对当前事务不可见，那就顺着版本链找到下一个版本的数据，继续判断，直到版本链中的最后一个版本。

3.3 READ COMMITTED 与 REPEATABLE READ 的区别

这两个隔离级别的核心区别在于生成 ReadView 的时机不同：

READ COMMITTED (RC)：每次读取数据前都生成一个 ReadView。
- 在执行 SELECT 语句时会先生成一个 ReadView。
- 这意味着每次查询都能读到其他事务最新提交的数据。
REPEATABLE READ (RR)：在第一次读取数据时生成一个 ReadView。
- 只会在第一次执行查询语句时生成一个 ReadView，之后的查询就不会重复生成了，而是复用之前的 ReadView。
- 这意味着在整个事务期间，读取到的数据保持一致，避免了不可重复读。

4. 幻读问题的解决

在 MySQL 中，REPEATABLE READ 隔离级别下幻读问题的解决分为两种情况：

快照读（普通 SELECT）：
- 利用 MVCC 解决。由于 RR 级别下 ReadView 只在第一次生成后复用，后续查询看不到其他事务新插入并提交的数据（因为新事务的 trx_id 大于 ReadView 的 max_trx_id 或在 m_ids 中），从而避免了幻读。
当前读（锁定读或写操作）：
- 利用 锁（Locking Reads） 解决。
- 对于 SELECT ... LOCK IN SHARE MODE 或 SELECT ... FOR UPDATE 以及 UPDATE、DELETE 等操作，InnoDB 会使用 Gap Locks（间隙锁） 或 Next-Key Locks。
- Gap Locks：锁住记录前的间隙，不允许别的事务在该间隙插入新记录。
- Next-Key Locks：记录锁 + 间隙锁的合体，既能保护该条记录，又能阻止别的事务将新记录插入被保护记录前边的间隙。

5. 一致性读与锁定读

一致性读（Consistent Reads）：
- 事务利用 MVCC 进行的读取操作，也称为快照读。
- 所有普通的 SELECT 语句在 READ COMMITTED、REPEATABLE READ 隔离级别下都算是一致性读。
- 一致性读并不会对表中的任何记录做加锁操作。
锁定读（Locking Reads）：
- 读操作也采用加锁的方式。
- SELECT ... LOCK IN SHARE MODE：为读取到的记录加 S 锁（共享锁）。
- SELECT ... FOR UPDATE：为读取到的记录加 X 锁（独占锁）。
- 这种读取方式读取的是记录的最新版本，而不是历史版本。

6. Purge 机制

insert undo：在事务提交之后就可以被释放掉。
update undo：由于还需要支持 MVCC，不能立即删除掉。
为了支持 MVCC，对于 delete mark 操作来说，仅仅是在记录上打一个删除标记，并没有真正将它删除掉。
随着系统的运行，在确定系统中包含最早产生的那个 ReadView 的事务不会再访问某些 update undo 日志以及被打上删除标记的记录后，有一个后台运行的 purge 线程 会把它们真正的删除掉。

总结

事务隔离级别决定了并发事务之间可见性的程度，MySQL 默认使用 REPEATABLE READ。
MVCC 通过隐藏列（trx_id, roll_pointer）、版本链和 ReadView 机制，实现了非阻塞的读操作，解决了脏读和不可重复读问题，并在快照读场景下解决了幻读问题。
RC 与 RR 的核心区别在于 ReadView 的生成时机（每次查询 vs 第一次查询）。
对于当前读（锁定读）场景下的幻读问题，InnoDB 通过 间隙锁（Gap Lock） 和 Next-Key 锁 来解决。

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