事务隔离级别备忘

数据库的事务有哪些隔离级别，它们解决了哪些问题？

隔离级别解决的事务的并发问题。当两个事务同时发生时，数据库最终的执行结果可以等价将事务里的各个操作排序后执行1，不过不是任意排序都可以，有些排序的结果不符合业务的预期。本节会列举其中的一些“错误”，而“隔离级别”就是一种约定，告诉我们数据库不会出现哪些“错误”。

记号：w1[x] 代表事务 1 写入行 x，r1[x] 代表事务 1 读取行 x, c1 代表提交事务 1, a1 代表回滚事务 1.

P0: Dirty Write

问题时序P0：w1[x]...w2[x]...(c1 or a1)

两个事务分别写入，然后两个事务分别提交或回滚，则事务的结果无法确定。考虑下图：

图中假设在一个事务里，满足约束 x == y，如果不做隔离，则事务结束后，数据库中的值不满足约束。

当前支持事务的数据库都可以避免上述时序。例如在 MySQL 中，如果两个事务写入同一行，后写入的事务会等待直到前一个事务结束或超时。

P1: Dirty Read

问题时序P1：w1[x]...r2[x]...(c1 or a1)

即 r2 能读取未提交的事务的修改 w1。这会导致 t2 事务过程中的约束被打破，如下图：

该时序下，在 t2 事务内部，原本的约束 x+y==100 由于 t1 的写入被打破了。

隔离级别 READ COMMITTED 的目的就是阻止该时序的发生。即在 t1 未提交时，它的修改对 t2 不可见。

P2: Fuzzy Read | Non-repeatable Read

• 典型时序A2：r1[x]...w2[x]...c2...r1[x]...c1
• 问题时序P2：r1[x]...w2[x]...(c1 or a1) 是 A2 的扩展

在事务 t1 读取数据后，另一个事务 t2 提交的修改对 t1 后续的读可见，则会造成不一致，如下图(A2)：

而 P2 是对 A2 的扩展，下例虽然不违反 A2，实际使用时也有问题：

事务 t2 提交后的修改对 t1 可见，导致 t1 内部的约束失效。

一般数据库的隔离级别 REPEATABLE READ 能阻止 A2 的发生，但不一定能完全支持 P2。

P3: Phantom

• 典型时序A3：r1[P]...w2[y in P]...c2...r1[P]...c1
• 问题时序P3：r1[P]...w2[y in P]...(c1 or a1)

与 Fuzzy Read 不同，Phantom（幻读）涉及的不是单个数据行，而是查询（如 SELECT ... WHERE P）。

而 P3 是对 A3 的扩展，下例(H3)虽然不违反 A3，实际使用时也有问题：

Phantom 问题在于，查询条件隐含要求了范围数据的可重复读。需要 SERIALIZABLE 隔离级别才能防止。

P4: Lost Update

问题时序：r1[x]...w2[x]...w1[x]...c1

该时序下，事务 t1 的修改 w1 将被 t2 的修改覆盖而丢失，如下图：

注意的是，禁用 P1 依旧会出现 P4，而禁用 P2 后就不会出现 P4，可以说 P4 是 P2 的一个子模式。

在 MySQL 中，需要使用 SELECT ... FOR UPDATE 来锁住对应的行，阻止其它事务对选中行的读写，来防止 P4 的发生。

A5: Data Item Constraint Violation

我们隐式地对数据的两行数据有约束，下面是两种破坏约束的情形：

A5A: Read Skew

问题时序：r1[x]...w2[x]...w2[y]...c2...r1[y]...(c1 or a1)，示例：

A5B: Write Skew

问题时序：r1[x]...r2[y]...w1[y]...w2[x]...(c1 and c2 occur)，示例：

A5A 和 A5B 在 P2(Fuzzy Read) 的加强版被禁止的情况下是不会出现的，不过仅在 ANSI 版本(A2) 被禁止的情况下依然可能出现。

从原论文摘抄如下（省略了 P4C）：

（注意的是，下图假设 REPEATABLE READ 是支持了 P2 扩展的，而许多数据库的实现并不支持）

有时候更重要的不是解决问题的方法，而是认识到问题是什么。

文章里介绍了并发事务可能出现的多种问题。

• 主要注意 P1: Dirty Read、P2: Fuzzy Read 和 P3: Phantom
• P4: Lost Update 和 A5: Constraint Violation 都是 P2 的变种。
• 不过真正的实现上，P2 并没有被良好的支持，所以了解 P4、A5A、A5B 都是挺重要的

文章本来是阅读《Design Data-Intensive Applications》后想做个备忘，在给各个问题举例时发现了论文《A Critique of ANSI SQL Isolation Levels》，结果花了很长时间来理解论文里的各种情形。本文也算是另一种形式的备忘吧，只不过更“学术”了，不“实用”了。