数据库系统原理

参考：

• https://www.zhihu.com/question/31346392

• https://github.com/CyC2018/CS-Notes/blob/master/notes/数据库系统原理.md

• https://www.jianshu.com/p/f692d4f8a53e

事务

为什么会出现事务（Transaction）？

• 为了当应用程序访问数据库的时候，事务能够简化我们的编程模型。
• 应用层不需要去考虑各种各样的潜在错误（网络错误、服务器宕机等）和并发问题；

什么是事务？

• 满足 ACID 四个特性的一组操作；
• 可以通过 commit 操作结束一个事务，也可以通过 RollBack 操作回滚到事务的开始；

ACID：

• 原子性（Atomicity）：事务被视为不可分割的最小单元，事务的所有操作要么全部提交成功，要么全部失败回滚（可以通过 undo log 实现）。
• 一致性（Consistency）：事务执行前后的状态都是正确的，事务操作应当将数据库从一个正确状态转移到另一个正确状态；
• 隔离性（Isolation）：降低并发事务之间的影响程度；
• 持久性（Durability）：一旦事务提交，则其所做的修改将会永远保存到数据库中；若系统发生崩溃，可以通过 redo log 重做；

并发问题

并发导致的一致性问题：

• 丢失修改：并发进行的事务对同一个数据进行修改，后者覆盖了前者的内容；

• 脏读：事务 A 修改了一个数据，但未提交；事务 B 读到了事务 A 未提交的更新结果，如果事务 A 提交失败进行了回滚，事务 B 读到的就是脏数据。

• 不可重复读：在同一个事务中，对于同一份数据读取到的结果不一致。比如，事务 B 在事务 A 提交前读到的结果，和提交后读到的结果可能不同。

  避免这种情况：加锁或 MVCC；

• 幻读：在同一个事务中，同一个查询多次返回的结果不一致。

  因为对于新增的记录根本无法加锁。需要将事务串行化，才能避免幻读。

多版本并发控制（Multi Version Concurrency Control, MVCC）：

• 实现方式：通过在每行记录后面保存两个隐藏的列：一个保存了行的创建时间，一个保存行的过期时间（或删除时间）。当然存储的并不是实际的时间值，而是系统版本号（system version number)。每开始一个新的事务，系统版本号都会自动递增。

在 REPEATABLE READ 隔离级别下，MVCC 的“增删改查”四种操作：

• INSERT：InnoDB 为新插入的每一行保存当前系统版本号作为行创建标识。
• DELETE：InnoDB 为删除的每一行保存当前系统版本号作为行删除标识。
• UPDATE：InnoDB 会插入一行新的记录，保存当前系统版本号作为创建标识，同时保存当前系统版本号到原来的行作为行删除标识。
• SELECT：InnoDB 会根据以下两个条件检查每行记录，InnoDB 只查找：
  1. 创建标识早于当前事务版本的数据行，这样可以确保事务读取的行，要么是在事务开始前已经存在的，要么是事务自身插入或者修改过的。
  2. 行的删除标志要么未定义，要么大于当前事务版本号。这可以确保事务读取到的行，在事务开始之前未被删除。

封锁

在 MySQL 中，提供了两种封锁粒度：行级锁以及表级锁。如何选用锁？

• 应该尽量只锁定需要修改的那部分数据，而不是所有的资源。锁定的数据量越少，发生锁争用的可能就越小，系统的并发程度就越高。
• 加锁需要消耗资源，锁的各种操作（包括获取锁、释放锁、以及检查锁状态）都会增加系统开销。因此封锁粒度越小，系统开销就越大。

锁的类型（读写锁）：

1. 互斥锁（Exlusive），X 锁，或写锁。

   事务 T 对数据 D 加了 X 锁，T 就可以对 D 进行读写，其他事务不对能 D 加锁；

2. 共享锁（Shared），S 锁，或读锁。

   事务 T 对数据 D 加了 S 锁，T 只可以对 D 进行读，加锁期间其他事务可以对 D 加 S 锁、不能加 X 锁；

意向锁（Intention Locks）：

• 背景：在存在行级锁和表级锁的情况下，事务 T 想要对表 A 加 X 锁，就需要先检测是否有其它事务对表 A 或者表 A 中的任意一行加了锁，那么就需要对表 A 的每一行都检测一次，这是非常耗时的。
• 意向锁在原来的 X/S 锁之上引入了 IX/IS 表锁，它们使用有以下规定：
  1. 一个事务在获得某个数据行对象的 S 锁之前，必须先获得表的 IS 锁或者更强的锁；
  2. 一个事务在获得某个数据行对象的 X 锁之前，必须先获得表的 IX 锁。
  3. 任意 IS/IX 锁之间都是兼容的，因为它们只表示想要对表加锁，而不是真正加锁；

封锁协议：

1. 一级封锁协议：事务 T 要修改数据 A 时必须加 X 锁，直到 T 结束才释放锁；
2. 二级封锁协议：在一级的基础上，要求读取数据 A 时必须加 S 锁，读取完马上释放 S 锁；
3. 三级封锁协议：在一级的基础上，要求读取数据 A 时必须加 S 锁，直到事务结束了才能释放 S 锁；

隔离级别

数据库隔离性表现的四个等级，由低到高分别是：

1. 未提交读（READ UNCOMMITTED）：事务中的修改即使没有提交，对其他事务也是可见的；
2. 提交读（READ COMMITTED）：一个事务只能读取已经提交的事务所做的修改。换句话说，一个事务所做的修改在提交之前对其它事务是不可见的。
3. 可重复读（REPEATABLE READ）：保证在同一个事务中多次读取同一数据的结果是一样的；
4. 可串行化（SERIALIZABLE）：强制事务串行执行，这样多个事务互不干扰，不会出现并发一致性问题。