數(shù)據(jù)（data）
? ? 數(shù)據(jù)是人類世界非常重要的存在。世界上的一切事物是一部分?jǐn)?shù)據(jù)的集合，那么理論上我們就可以創(chuàng)造出一切事物，前提是獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)并建立起一個(gè)模型（對(duì)事物的描述）。以印刷術(shù)為例，每一個(gè)字的形狀都是一個(gè)數(shù)據(jù)，人們以對(duì)這些數(shù)據(jù)的認(rèn)知對(duì)每一個(gè)字都建立了一個(gè)模型，然后可以通過(guò)這些模型就可以印出相應(yīng)的字符。進(jìn)入電子信息時(shí)代，數(shù)據(jù)得到了更廣泛，更深度的使用。例如在醫(yī)學(xué)，航天，機(jī)器人（人工智能）。
? ? 越復(fù)雜的事物我們?cè)诫y描述（建立模型），因?yàn)樵綇?fù)雜的事物包含的數(shù)據(jù)元素就越龐大，此時(shí)我們需要將收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)進(jìn)行分類管理，需要時(shí)讀取，這時(shí)就引入了數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)DB（database）
? ? 數(shù)據(jù)庫(kù)從很早就開始存在，例如古時(shí)候用于記賬的賬簿，記錄個(gè)人信息的檔案庫(kù)，藏在某處的武林秘籍等等。到了電子信息時(shí)代，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的磁盤上了。這里定義計(jì)算機(jī)磁盤空間中的長(zhǎng)久存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)的集合就是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)（database），使用磁盤作為數(shù)據(jù)庫(kù)有數(shù)據(jù)永久性保存，查詢管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)DBS（database system）
? ? 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（及其開發(fā)工具）、應(yīng)用系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理員構(gòu)成。該系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的正常生命周期。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS（database manager system）
? ? 數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是位于用戶與操作系統(tǒng)之間的一層數(shù)據(jù)管理軟件。這個(gè)系統(tǒng)方便用戶操作，維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)。常用的DBMS有：MySQL、Oracle、DB2、SQLServer等。本文要討論的是MySQL。


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? ? 當(dāng)我們使用計(jì)算機(jī)磁盤作為數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的DBMS進(jìn)行訪問操作數(shù)據(jù)之后，單用戶訪問操作數(shù)據(jù)庫(kù)是沒有問題的，但是單用戶訪問的效率實(shí)在太低，此時(shí)我們想實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)訪問。但是此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問題：
? ? 1.用戶1讀取了某數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備使用。
? ? 2.用戶2在之后修改了該數(shù)據(jù)。
? ? 3.用戶1在使用之前忘記了自己讀的數(shù)據(jù)，再次讀取。
那么我們希望能夠解決這些問題來(lái)實(shí)現(xiàn)多用戶并發(fā)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。此時(shí)我們對(duì)DBMS的設(shè)計(jì)引入以下規(guī)則：

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? ? 事務(wù)（Transaction）：完成某個(gè)需求需要做的一連串的操作稱為一個(gè)事務(wù)，事務(wù)是DBMS的執(zhí)行單元。
? ? 事務(wù)具有以下特性：
? ? ? ? 原子性：事務(wù)是不可分割的，完成事務(wù)的步驟要么全部不做，要么全部做完。（rollback&commit）
? ? ? ? 一致性：事務(wù)執(zhí)行過(guò)程中操作的數(shù)據(jù)必須是一致的。（不同需求下對(duì)于一致性的要求不同）
? ? ? ? 隔離性：多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行的時(shí)候，多個(gè)事務(wù)之間操作的數(shù)據(jù)互不影響。（隔離性實(shí)現(xiàn)一致性）
? ? ? ? 持久性：事務(wù)一旦提交，數(shù)據(jù)就永久存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，即使是產(chǎn)生故障也不能影響。（recovery）

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? ? 由于不同需求下對(duì)于并發(fā)訪問的產(chǎn)生的結(jié)果要求不同，提出了以下四大隔離級(jí)別：
? ? ? ? read uncommitted：讀未提交
? ? ? ? ? ? 此隔離級(jí)別下，事務(wù)會(huì)讀到未提交事務(wù)的數(shù)據(jù)。
? ? ? ? read committed：讀已提交
? ? ? ? ? ? 此隔離級(jí)別下，事務(wù)會(huì)讀到已經(jīng)提交事務(wù)的數(shù)據(jù)。
? ? ? ? repeatable read：可重復(fù)讀
? ? ? ? ? ? 此隔離級(jí)別下，其他事務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)的修改不會(huì)影響到本事務(wù)讀數(shù)據(jù)。
? ? ? ? serializable：可串行化
? ? ? ? ? ? 此隔離級(jí)別下，所有事務(wù)串行化（排隊(duì)）執(zhí)行。
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? 并發(fā)訪問問題匯總：
? ? 1.修改丟失：
? ? ? ? 1）事務(wù)1讀取了數(shù)據(jù)對(duì)象A=3，保存下來(lái)賦值為B1。
? ? ? ? 2）事務(wù)2讀取了數(shù)據(jù)對(duì)象A=3，保存下來(lái)賦值為B2。
? ? ? ? 3）事務(wù)1修改了數(shù)據(jù)對(duì)象A=B1+1=4。
? ? ? ? 4）事務(wù)2修改了數(shù)據(jù)對(duì)象A=B2+1=4。
? ? ? ? 場(chǎng)景：多窗口賣票。
? ? ? ? 窗口1，2同時(shí)知道已經(jīng)賣了3張票，然后在同一時(shí)間窗口1賣出了一張票，窗口2也賣出了一張票，本應(yīng)該賣出了5張，結(jié)果只賣了4張。

? ? 2.臟讀：事務(wù)2修改數(shù)據(jù)未提交，事務(wù)1讀取了數(shù)據(jù)。
? ? ? ? 1）事務(wù)2修改了數(shù)據(jù)A=3，操作未完成...
? ? ? ? 2）事務(wù)1讀取到了數(shù)據(jù)對(duì)象A=3。
? ? ? ? 3）事務(wù)2修改了數(shù)據(jù)A=2，操作完成。
? ? ? ? 場(chǎng)景：銀行轉(zhuǎn)賬
? ? ? ? X向Y轉(zhuǎn)賬，銀行中X賬戶減錢，Y還沒加錢，X此時(shí)查看了兩個(gè)賬戶。

? ? 3.不可重復(fù)讀：事務(wù)兩次讀取的數(shù)據(jù)不同。
? ? ? ? ①事務(wù)1讀取數(shù)據(jù)A之后，事務(wù)2修改了A并提交，事務(wù)1再讀。
? ? ? ? ? ? 1）事務(wù)1讀取數(shù)據(jù)A。
? ? ? ? ? ? 2）事務(wù)2修改A并提交。
? ? ? ? ? ? 3）事務(wù)1讀A。
? ? ? ? ? ? 場(chǎng)景：查看銀行余額，查詢完成之前，之后再有人轉(zhuǎn)賬余額都不應(yīng)該變化。

? ? ? ? ②幻讀：事務(wù)1讀取了數(shù)據(jù)之后，事務(wù)2插入或者刪除了某些數(shù)據(jù)并提交，事務(wù)1再讀。
? ? ? ? ? ? 1）事務(wù)1讀取了一個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù){A，B，C......}。
? ? ? ? ? ? 2）事務(wù)2插入了數(shù)據(jù)D到此范圍并提交。
? ? ? ? ? ? 3）事務(wù)1讀此范圍發(fā)現(xiàn)新增了D，不一致。
? ? ? ? ? ? 場(chǎng)景：網(wǎng)站實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)某一時(shí)間在線用戶人數(shù)，在統(tǒng)計(jì)完成之前后面再有新增的用戶記錄都不應(yīng)該沒查詢到。
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? ? 不同的隔離級(jí)別與并發(fā)問題對(duì)應(yīng)關(guān)系：
? ? ? ? 1.修改丟失：
? ? ? ? ? ? 這種問題屬于邏輯上的問題，數(shù)據(jù)庫(kù)是處理不了的。以賣票為例，當(dāng)有窗口在售票的時(shí)候，其他窗口就應(yīng)該等該窗口售完票之后修改了售票數(shù)額再進(jìn)行讀取余額進(jìn)行修改。所以應(yīng)該由程序進(jìn)行控制。

? ? ? ? 2.臟讀：read uncommitted隔離下會(huì)產(chǎn)生臟讀，read committed以上的級(jí)別都處理了臟讀。

? ? ? ? 3.不可重復(fù)讀：read committed以下隔離級(jí)別有不可重復(fù)讀，repeatable以上級(jí)別處理了該問題（有一些DBMS沒有處理幻讀的問題）。

下面介紹MySQL處理這些問題并實(shí)現(xiàn)事務(wù)四大特性的原理：

首先我們先引進(jìn)鎖的概念：
? ? ? ? 目前在計(jì)算機(jī)中對(duì)于共享數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問大多只能通過(guò)“鎖”來(lái)進(jìn)行處理。在數(shù)據(jù)庫(kù)中也引進(jìn)了兩種鎖的概念：悲觀鎖與樂觀鎖。

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悲觀鎖：
? ? ? ? 顧名思義：悲觀鎖及在事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的時(shí)候，悲觀地認(rèn)為之后會(huì)有其他事務(wù)會(huì)訪問該數(shù)據(jù)并進(jìn)行修改而在數(shù)據(jù)上加上一把鎖，而阻塞其他事務(wù)。其中悲觀鎖分為共享鎖和排他鎖。
? ? ? ? ? ? 共享鎖（Share Lock）：簡(jiǎn)稱S鎖
? ? ? ? ? ? 共享鎖又稱為讀鎖。若事務(wù)T對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象A加上S鎖，則只事務(wù)T可以讀A但是不能修改A，其他任何事務(wù)只能再對(duì)A加S鎖，而不能加X鎖 ，直到T釋放A上的鎖。? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? 排他鎖（eXclusive Lock）：簡(jiǎn)稱X鎖
? ? ? ? ? ? 排他鎖又稱為寫鎖。若事務(wù)T對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象A加上X鎖，則只允許T讀取和修改A，其他任何事務(wù)都不能對(duì)A加任何類型的鎖 ，直到T釋放A上的鎖。
注意這里的兩個(gè)命題：
1.事務(wù)對(duì)A加上了X鎖（條件）能讀寫A（結(jié)果）
2.事務(wù)對(duì)A加上了S鎖（條件）能讀A（結(jié)果）
是充分條件，不是必要條件。
即：
1.事務(wù)對(duì)A能讀寫A（條件）就加上了X鎖（結(jié)果）
2.事務(wù)對(duì)A能讀A（條件）就加上了S鎖（結(jié)果）
這是不成立的。
上述粗體字段就是對(duì)前半命題的補(bǔ)充，拿其他任何事務(wù)都不能對(duì)A加任何類型的鎖舉例：
這里是定義了，加了X鎖之后，不能加其他的鎖，而不是不允許其他事務(wù)讀取A了。這里只是定義了加鎖操作之間的互斥關(guān)系。

樂觀鎖：
? ? ? ? 顧名思義：這是一個(gè)樂觀的“鎖”，其實(shí)稱其為樂觀控制（驗(yàn)證）法更為準(zhǔn)確。即事務(wù)在訪問數(shù)據(jù)的時(shí)候，樂觀地認(rèn)為不會(huì)有其他事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，不阻塞任何事務(wù)，在之后再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問的時(shí)候會(huì)驗(yàn)證其是否和之前訪問的數(shù)據(jù)是一致的。


下面討論使用這兩種鎖如何實(shí)現(xiàn)事務(wù)四大特性?
? ? 1.理論上，只使用悲觀鎖是可以實(shí)現(xiàn)的：
? ? ? ? 1）在讀之前要加共享鎖。
? ? ? ? 2）在寫之前要加排他鎖。
? ? 在這種情況下，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了事務(wù)的四大特性，但是因?yàn)殒i的特性會(huì)導(dǎo)致，寫操作會(huì)阻塞大量的讀操作（讀操作占了數(shù)據(jù)庫(kù)訪問中很大的比重），嚴(yán)重影響了并發(fā)訪問程度，而且會(huì)很容易導(dǎo)致死鎖的發(fā)生（事務(wù)之間互相等待釋放鎖，解決死鎖有多種方式，這里不具體討論）。

? ? 2.排他鎖加樂觀鎖，即多版本并發(fā)控制。
? ? ? ? 1）讀不加鎖。
? ? ? ? 2）寫之前加排他鎖。
? ? ? ? 3）維護(hù)多個(gè)版本的數(shù)據(jù)供不同的事務(wù)讀取。（不同隔離級(jí)別情況不同，下面有介紹）。? ? ? ?
? ? 多版本并發(fā)控制（MutiVersion Concurrency Control），簡(jiǎn)稱MVCC。它使得大部分支持行鎖的事務(wù)引擎，不再單純的使用行鎖來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的并發(fā)控制，取而代之的是把數(shù)據(jù)庫(kù)的行鎖與行的多個(gè)版本結(jié)合起來(lái)，只需要很小的開銷,就可以實(shí)現(xiàn)非鎖定讀，從而大大提高數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的并發(fā)性能。
? ? 這里引入新概念：行鎖。行鎖指悲觀鎖的粒度（即加鎖的對(duì)象單位），其中有行鎖，表鎖，頁(yè)鎖，數(shù)據(jù)庫(kù)鎖等等。


MySQL（InnoDB）實(shí)現(xiàn)事務(wù)四大特性的原理：? ?
概念簡(jiǎn)述：

1.undo log（撤銷）
? ? undo log記錄數(shù)據(jù)的多版本快照，事務(wù)在修改數(shù)據(jù)之前會(huì)將舊版本的數(shù)據(jù)復(fù)制到undo log，讀操作不寫undo log。
? ? 存在形式：會(huì)分配到一定的內(nèi)存（cache），也會(huì)寫入磁盤（ibdata1文件）。
? ? 寫入方式：按修改操作順序?qū)懭耄环质聞?wù)。
? ? ? ? 1）用于事務(wù)的回滾而實(shí)現(xiàn)原子性。
? ? ? ? 2）用于事務(wù)讀操作匹配版本實(shí)現(xiàn)一致性，隔離性。
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2.redo log （重做）
? ? 事務(wù)在不會(huì)直接覆蓋修改數(shù)據(jù)庫(kù)磁盤中的數(shù)據(jù)（以下稱為data file），會(huì)先復(fù)制一份數(shù)據(jù)到redo cache中進(jìn)行修改，然后寫到redo file之后，再修改data file。
? ? 存在形式：會(huì)分配到一定的內(nèi)存（cache），也會(huì)寫入磁盤（ib_logfile0、ib_logfile1文件）。
? ? 寫入方式：按修改操作順序?qū)懭?，不分事?wù)。
? ? redo log主要用于維護(hù)數(shù)據(jù)的持久性。

3.DATA_TRX_ID、DATA_ROLL_PTR、DELETE BIT
? ? 在MySQL表中有三個(gè)隱藏字段：
? ? DATA_TRX_ID：事務(wù)修改當(dāng)前行數(shù)據(jù)的時(shí)候會(huì)將這個(gè)字段記錄為自己的事務(wù)ID
? ? DATA_ROLL_PTR：回滾指針，事務(wù)修改當(dāng)前行數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)⑦@個(gè)字段記錄指向undolog中上一次修改該行的記錄。
? ? DELETE BIT：事務(wù)修改當(dāng)前行數(shù)據(jù)的時(shí)候記錄標(biāo)記為“被刪除”。
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? ? 事務(wù)修改數(shù)據(jù)的流程分析：
? ? 事務(wù)將數(shù)據(jù)對(duì)象A從數(shù)據(jù)庫(kù)（磁盤）中復(fù)制到redo cache buffer中進(jìn)行修改，在修改之前再?gòu)?fù)制一份填寫刪除標(biāo)識(shí)字段，將其回滾指針指向undo中上一條記錄，放到undo cache buffer中，然后將redo cache中的數(shù)據(jù)副本中的trxid設(shè)為自己的事務(wù)id，undo&redo cache每隔一段時(shí)間（1秒）刷到undo&redo file，redo file寫入之后將寫入redo file的數(shù)據(jù)覆蓋寫入data file數(shù)據(jù)。

? ? 事務(wù)修改數(shù)據(jù)的流程圖解：
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圖片發(fā)自簡(jiǎn)書App

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? ? ①原子性：事務(wù)沒完成，可以通過(guò)回滾指針一條一條記錄往前反向復(fù)原，直到事務(wù)修改之前的記錄版本。
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? ? ②一致性&隔離性（因?yàn)橐恢滦砸蕾囉诟綦x性，這里一起討論）：
? ? ? ? read uncommitted：
? ? ? ? 讀不加鎖，寫加X鎖。
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? ? ? ? read committed&repeatable read：
? ? ? ? 事務(wù)讀操作每次都是結(jié)合read view在data+undo file中匹配適合的數(shù)據(jù)。（MVCC）
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? ? ? ? 新概念：
? ? ? ? read view：
? ? ? ? 每個(gè)事務(wù)在創(chuàng)建的時(shí)候InnoDB（MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎）都會(huì)記錄當(dāng)前系統(tǒng)中的活動(dòng)事務(wù)id（不包含committed以及本事務(wù)的id）到一個(gè)副本-->read view。這個(gè)副本的功能是記錄了對(duì)與本事務(wù)來(lái)說(shuō)應(yīng)該隔離的事務(wù)（不可見）。
? ? ? ? 注：事務(wù)id是按照創(chuàng)建順序遞增分配的。? ? ? ? ? ? .
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? ? ? ? 1.將data+undo file中的符合條件的數(shù)據(jù)全部找出（多版本）。將排在第一的數(shù)據(jù)的transaction_id賦值給trx_id，read view中的最小值id為trx_min，最大值為trx_max。
? ? ? ? 2.如果trx_id<trx_min，說(shuō)明創(chuàng)建該版本數(shù)據(jù)的事務(wù)是在read view創(chuàng)建之前（也就是在當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建之前）就已經(jīng)committed了。跳到步驟6。
? ? ? ? 3.如果trx_id>trx_max，說(shuō)明創(chuàng)建該版本數(shù)據(jù)的事務(wù)是在read view創(chuàng)建之后（也就是當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建之后）創(chuàng)建的，此版本數(shù)據(jù)不可見。跳到步驟5
? ? ? ? 4.如果trx_min <= trx_id<= trx_max，說(shuō)明創(chuàng)建該版本數(shù)據(jù)的事務(wù)在當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建之前創(chuàng)建的，（但是不確定是否是在當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建之前提交的）。拿trx_id遍歷匹配read view：
? ? ? ? ? ? 1）如果有相等的事務(wù)id，說(shuō)明創(chuàng)建該版本的事務(wù)在當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建的時(shí)候還是活躍的。此版本數(shù)據(jù)也不可見，跳到步驟5；
? ? ? ? ? ? 2）如果沒有匹配到相等的事務(wù)id，說(shuō)明創(chuàng)建該版本的事務(wù)在當(dāng)前事務(wù)創(chuàng)建的之前就提交了，只不過(guò)它比一些在它之前創(chuàng)建的事務(wù)提交得早。調(diào)到步驟6。
? ? ? ? 5.用回滾指針找到上一版本數(shù)據(jù)，將其trasaction_id賦值給trx_id，跳到步驟2。
? ? ? ? 6.該版本數(shù)據(jù)是可見的，返回該數(shù)據(jù)到讀取操作。

? ? ? ? 在rc隔離級(jí)別下：在事務(wù)創(chuàng)建之初以及每次read的時(shí)候都會(huì)創(chuàng)建一份read view。
? ? ? ? 在rr隔離級(jí)別下：只在事務(wù)創(chuàng)建的時(shí)候創(chuàng)建一份相對(duì)與該事務(wù)全局的read view。

? ? ? ? serializable：
? ? ? ? 讀加S鎖，寫加X鎖。
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? ? ③持久性：因?yàn)樗袛?shù)據(jù)修改都是在提交完成之前已經(jīng)通過(guò)redo log寫到了服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)磁盤中去了。即使之后數(shù)據(jù)庫(kù)故障都可以通過(guò)redo中的記錄進(jìn)行恢復(fù)。（根據(jù)undo進(jìn)行的rollback操作也會(huì)被寫入redo，也就是說(shuō)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，rollback操作也會(huì)重新執(zhí)行）。


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