一、開篇

相信大家都用過事務以及瞭解他的特點，如原子性(Atomicity),一致性(Consistency),隔離型(Isolation)以及永續性(Durability)等。今天想跟大家一起研究下事務內部到底是怎麼實現的，在講解前我想先丟擲個問題：
事務想要做到什麼效果？

按我理解，無非是要做到可靠性以及併發處理

可靠性：資料庫要保證當insert或update操作時拋異常或者資料庫crash的時候需要保障資料的操作前後的一致，想要做到這個，我需要知道我修改之前和修改之後的狀態，所以就有了undo log和redo log。

併發處理：也就是說當多個併發請求過來，並且其中有一個請求是對資料修改操作的時候會有影響，為了避免讀到髒資料，所以需要對事務之間的讀寫進行隔離，至於隔離到啥程度得看業務系統的場景了，實現這個就得用MySQL 的隔離級別。

下面我首先講實現事務功能的三個技術，分別是日誌檔案(redo log 和 undo log)，鎖技術以及MVCC，然後再講事務的實現原理，包括原子性是怎麼實現的，隔離型是怎麼實現的等等。最後在做一個總結，希望大家能夠耐心看完

• redo log與undo log介紹
• mysql鎖技術以及MVCC基礎
• 事務的實現原理
• 總結

二、 redo log 與 undo log介紹

1. redo log

什麼是redo log ?

redo log叫做重做日誌，是用來實現事務的永續性。該日誌檔案由兩部分組成：重做日誌緩衝（redo log buffer）以及重做日誌檔案（redo log）,前者是在記憶體中，後者在磁碟中。當事務提交之後

start transaction;
select balance from bank where name="zhangsan";
// 生成 重做日誌 balance=600
update bank set balance = balance - 400; 
// 生成 重做日誌 amount=400
update finance set amount = amount + 400;
commit;

redo log 有什麼作用？

mysql 為了提升效能不會把每次的修改都實時同步到磁碟，而是會先存到Boffer Pool(緩衝池)裡頭，把這個當作快取來用。然後使用後臺執行緒去做緩衝池和磁碟之間的同步

那麼問題來了，如果還沒來的同步的時候宕機或斷電了怎麼辦？還沒來得及執行上面圖中紅色的操作。這樣會導致丟部分已提交事務的修改資訊！

所以引入了redo log來記錄已成功提交事務的修改資訊，並且會把redo log持久化到磁碟，系統重啟之後在讀取redo log恢復最新資料。

總結：
redo log是用來恢復資料的 用於保障，已提交事務的持久化特性

2.undo log

什麼是 undo log ？

undo log 叫做回滾日誌，用於記錄資料被修改前的資訊。他正好跟前面所說的重做日誌所記錄的相反，重做日誌記錄資料被修改後的資訊。undo log主要記錄的是資料的邏輯變化，為了在發生錯誤時回滾之前的操作，需要將之前的操作都記錄下來，然後在發生錯誤時才可以回滾。

還用上面那兩張表

每次寫入資料或者修改資料之前都會把修改前的資訊記錄到 undo log。

undo log 有什麼作用？

undo log 記錄事務修改之前版本的資料資訊，因此假如由於系統錯誤或者rollback操作而回滾的話可以根據undo log的資訊來進行回滾到沒被修改前的狀態。

總結：
undo log是用來回滾資料的用於保障 未提交事務的原子性

三、mysql鎖技術以及MVCC基礎

1. mysql鎖技術

當有多個請求來讀取表中的資料時可以不採取任何操作，但是多個請求裡有讀請求，又有修改請求時必須有一種措施來進行併發控制。不然很有可能會造成不一致。
讀寫鎖
解決上述問題很簡單，只需用兩種鎖的組合來對讀寫請求進行控制即可，這兩種鎖被稱為：

共享鎖(shared lock),又叫做"讀鎖"
讀鎖是可以共享的，或者說多個讀請求可以共享一把鎖讀資料，不會造成阻塞。

排他鎖(exclusive lock),又叫做"寫鎖"
寫鎖會排斥其他所有獲取鎖的請求，一直阻塞，直到寫入完成釋放鎖。

總結：
通過讀寫鎖，可以做到讀讀可以並行，但是不能做到寫讀，寫寫並行
事務的隔離性就是根據讀寫鎖來實現的！！！這個後面再說。

2. MVCC基礎

MVCC (MultiVersion Concurrency Control) 叫做多版本併發控制。

InnoDB的 MVCC ，是通過在每行記錄的後面儲存兩個隱藏的列來實現的。這兩個列，
一個儲存了行的建立時間，一個儲存了行的過期時間，
當然儲存的並不是實際的時間值，而是系統版本號。

以上片段摘自《高效能Mysql》這本書對MVCC的定義。他的主要實現思想是通過資料多版本來做到讀寫分離。從而實現不加鎖讀進而做到讀寫並行。

MVCC在mysql中的實現依賴的是undo log與read view

• undo log :undo log 中記錄某行資料的多個版本的資料。
• read view :用來判斷當前版本資料的可見性

四、事務的實現

前面講的重做日誌，回滾日誌以及鎖技術就是實現事務的基礎。

• 事務的原子性是通過 undo log 來實現的
• 事務的永續性性是通過 redo log 來實現的
• 事務的隔離性是通過 (讀寫鎖+MVCC)來實現的
• 而事務的終極大 boss一致性是通過原子性，永續性，隔離性來實現的！！！

原子性，永續性，隔離性折騰半天的目的也是為了保障資料的一致性！

總之，ACID只是個概念，事務最終目的是要保障資料的可靠性，一致性。

1.原子性的實現

什麼是原子性：

一個事務必須被視為不可分割的最小工作單位，一個事務中的所有操作要麼全部成功提交，要麼全部失敗回滾，對於一個事務來說不可能只執行其中的部分操作，這就是事務的原子性。

上面這段話取自《高效能MySQL》這本書對原子性的定義，原子性可以概括為就是要實現要麼全部失敗，要麼全部成功。

以上概念相信大家夥兒都瞭解，那麼資料庫是怎麼實現的呢？ 就是通過回滾操作。
所謂回滾操作就是當發生錯誤異常或者顯式的執行rollback語句時需要把資料還原到原先的模樣，所以這時候就需要用到undo log來進行回滾，接下來看一下undo log在實現事務原子性時怎麼發揮作用的

1.1 undo log 的生成

假設有兩個表 bank和finance，表中原始資料如圖所示，當進行插入，刪除以及更新操作時生成的undo log如下面圖所示：

從上圖可以瞭解到資料的變更都伴隨著回滾日誌的產生：
(1) 產生了被修改前資料(zhangsan,1000) 的回滾日誌

(2) 產生了被修改前資料(zhangsan,0) 的回滾日誌

根據上面流程可以得出如下結論：
1.每條資料變更(insert/update/delete)操作都伴隨一條undo log的生成,並且回滾日誌必須先於資料持久化到磁碟上
2.所謂的回滾就是根據回滾日誌做逆向操作，比如delete的逆向操作為insert，insert的逆向操作為delete，update的逆向為update等。

思考：為什麼先寫日誌後寫資料庫？---稍後做解釋

1.2 根據undo log 進行回滾

為了做到同時成功或者失敗，當系統發生錯誤或者執行rollback操作時需要根據undo log 進行回滾

回滾操作就是要還原到原來的狀態，undo log記錄了資料被修改前的資訊以及新增和被刪除的資料資訊，根據undo log生成回滾語句，比如：

(1) 如果在回滾日誌裡有新增資料記錄，則生成刪除該條的語句

(2) 如果在回滾日誌裡有刪除資料記錄，則生成生成該條的語句

(3) 如果在回滾日誌裡有修改資料記錄，則生成修改到原先資料的語句

2.永續性的實現

事務一旦提交，其所作做的修改會永久儲存到資料庫中，此時即使系統崩潰修改的資料也不會丟失。

先了解一下MySQL的資料儲存機制，MySQL的表資料是存放在磁碟上的，因此想要存取的時候都要經歷磁碟IO,然而即使是使用SSD磁碟IO也是非常消耗效能的。
為此，為了提升效能InnoDB提供了緩衝池(Buffer Pool)，Buffer Pool中包含了磁碟資料頁的對映，可以當做快取來使用：
讀資料：會首先從緩衝池中讀取，如果緩衝池中沒有，則從磁碟讀取在放入緩衝池；
寫資料：會首先寫入緩衝池，緩衝池中的資料會定期同步到磁碟中；

上面這種緩衝池的措施雖然在效能方面帶來了質的飛躍，但是它也帶來了新的問題，當MySQL系統宕機，斷電的時候可能會丟資料！！！

因為我們的資料已經提交了，但此時是在緩衝池裡頭，還沒來得及在磁碟持久化，所以我們急需一種機制需要存一下已提交事務的資料，為恢復資料使用。

於是 redo log就派上用場了。下面看下redo log是什麼時候產生的

既然redo log也需要儲存，也涉及磁碟IO為啥還用它？

（1）redo log 的儲存是順序儲存，而快取同步是隨機操作。

（2）快取同步是以資料頁為單位的，每次傳輸的資料大小大於redo log。

3.隔離性實現

隔離性是事務ACID特性裡最複雜的一個。在SQL標準裡定義了四種隔離級別，每一種級別都規定一個事務中的修改，哪些是事務之間可見的，哪些是不可見的。

級別越低的隔離級別可以執行越高的併發，但同時實現複雜度以及開銷也越大。

Mysql 隔離級別有以下四種（級別由低到高）：

• READ UNCOMMITED(未提交讀)
• READ COMMITED(提交讀)
• REPEATABLE READ(可重複讀)
• SERIALIZABLE(可重複讀)

只要徹底理解了隔離級別以及他的實現原理就相當於理解了ACID裡的隔離型。前面說過原子性，隔離性，永續性的目的都是為了要做到一致性，但隔離型跟其他兩個有所區別，原子性和永續性是為了要實現資料的可性保障靠，比如要做到宕機後的恢復，以及錯誤後的回滾。

那麼隔離性是要做到什麼呢？隔離性是要管理多個併發讀寫請求的訪問順序。這種順序包括序列或者是並行
說明一點，寫請求不僅僅是指insert操作，又包括update操作。

總之，從隔離性的實現可以看出這是一場資料的可靠性與效能之間的權衡。

• 可靠性性高的，併發效能低(比如 Serializable)
• 可靠性低的，併發效能高(比如 Read Uncommited)

READ UNCOMMITTED

在READ UNCOMMITTED隔離級別下，事務中的修改即使還沒提交，對其他事務是可見的。事務可以讀取未提交的資料，造成髒讀。

因為讀不會加任何鎖，所以寫操作在讀的過程中修改資料，所以會造成髒讀。好處是可以提升併發處理效能，能做到讀寫並行。

換句話說，讀的操作不能排斥寫請求。

優點：讀寫並行，效能高
缺點：造成髒讀

READ COMMITTED

一個事務的修改在他提交之前的所有修改，對其他事務都是不可見的。其他事務能讀到已提交的修改變化。在很多場景下這種邏輯是可以接受的。

InnoDB在 READ COMMITTED，使用排它鎖,讀取資料不加鎖而是使用了MVCC機制。或者換句話說他採用了讀寫分離機制。
但是該級別會產生不可重讀以及幻讀問題。

什麼是不可重讀？

在一個事務內多次讀取的結果不一樣。

為什麼會產生不可重複讀？

這跟 READ COMMITTED 級別下的MVCC機制有關係，在該隔離級別下每次 select的時候新生成一個版本號，所以每次select的時候讀的不是一個副本而是不同的副本。

在每次select之間有其他事務更新了我們讀取的資料並提交了，那就出現了不可重複讀

REPEATABLE READ(Mysql預設隔離級別)

在一個事務內的多次讀取的結果是一樣的。這種級別下可以避免，髒讀，不可重複讀等查詢問題。mysql 有兩種機制可以達到這種隔離級別的效果，分別是採用讀寫鎖以及MVCC。

採用讀寫鎖實現：

為什麼能可重複度？只要沒釋放讀鎖，在次讀的時候還是可以讀到第一次讀的資料。

優點：實現起來簡單

缺點：無法做到讀寫並行

採用MVCC實現：

為什麼能可重複度？因為多次讀取只生成一個版本，讀到的自然是相同資料。

缺點：實現的複雜度高

但是在該隔離級別下仍會存在幻讀的問題，關於幻讀的解決我打算另開一篇來介紹。

SERIALIZABLE

該隔離級別理解起來最簡單，實現也最單。在隔離級別下除了不會造成資料不一致問題，沒其他優點。

--摘自《高效能Mysql》

4.一致性的實現

資料庫總是從一個一致性的狀態轉移到另一個一致性的狀態.

下面舉個例子:zhangsan 從銀行卡轉400到理財賬戶

start transaction;
select balance from bank where name="zhangsan";
// 生成 重做日誌 balance=600
update bank set balance = balance - 400; 
// 生成 重做日誌 amount=400
update finance set amount = amount + 400;
commit;

1.假如執行完update bank set balance = balance - 400;之發生異常了，銀行卡的錢也不能平白無辜的減少，而是回滾到最初狀態。

2.又或者事務提交之後，緩衝池還沒同步到磁碟的時候宕機了，這也是不能接受的，應該在重啟的時候恢復並持久化。

3.假如有併發事務請求的時候也應該做好事務之間的可見性問題，避免造成髒讀，不可重複讀，幻讀等。在涉及併發的情況下往往在效能和一致性之間做平衡，做一定的取捨，所以隔離性也是對一致性的一種破壞。

總結

本文出發點是想講一下Mysql的事務的實現原理。

實現事務採取了哪些技術以及思想？

• 原子性：使用 undo log ，從而達到回滾
• 永續性：使用 redo log，從而達到故障後恢復
• 隔離性：使用鎖以及MVCC,運用的優化思想有讀寫分離，讀讀並行，讀寫並行
• 一致性：通過回滾，以及恢復，和在併發環境下的隔離做到一致性。