我们都知道事务的几种性质，数据库为了维护这些性质，尤其是一致性和隔离性，一般使用加锁这种方式。

同时数据库又是个高并发的应用，同一时间会有大量的并发访问，如果加锁过度，会极大的降低并发处理能力。

所以对于加锁的处理，可以说就是数据库对于事务处理的精髓所在。

这里通过分析MySQL中InnoDB引擎的事务处理来理解事务、锁、隔离级别、MVCC、Next-Key Locks等概念。

事务

概念

事务是指满足ACID特性的一组操作，可以通过 Commit 提交一个事务，也可以使用 Rollback 进行回滚。

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。

回滚可以用回滚日志来实现，回滚日志记录着事务所执行的修改操作，在回滚时反向执行这些修改操作即可。

一致性(Consistency)

数据库在事务执行前后都保持一致性状态。在一致性状态下，所有事务对一个数据的读取结果都是相同的。

隔离性(Isolation)

一个事务所做的修改在最终提交以前，对其他事务是不可见的。

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。即使系统发生崩溃，事务执行的结果也不能丢。

使用重做日志来保证持久性。

ACID 之间的关系

事务的 ACID 特性概念简单，但不是很好理解，主要是因为这几个特性不是一种平级关系：

只有满足一致性，事务的执行结果才是正确的。

在无并发的情况下，事务串行执行，隔离性一定能够满足。此时只要能满足原子性，就

一定能满足一致性。 在并发的情况下，多个事务并行执行，事务不仅要满足原子性，还需要满足隔离性，才能满足一致性。

事务满足持久化是为了能应对数据库崩溃的情况。

隔离级别

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。

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他事务是不可见的。

可重复读(REPEATABLE READ)

保证在同一个事务中多次读取同样数据的结果是一样的。

可串行化(SERIALIZABLE)

强制事务串行执行。

需要加锁实现，而其它隔离级别通常不需要。

隔离级别

脏读

不可重复读

幻影读

未提交读

√

√

√

提交读

×

√

√

可重复读

×

×

√

可串行化

×

×

×

InnoDB 可重复读的实现

在 InnoDB 中，SELECT、UPDATE、DELETE 操作的不可重复读问题可以通过 MVCC 来解决，但是 INSERT 操作的不可重复读问题(幻读问题)需要通过 MVCC + Next-Key Locks 来解决。

不可重复读和幻读

不可重复读

T2 读取一个数据，T1 对该数据做了修改。如果 T2 再次读取这个数据，此时读取的结果和第一次读取的结果不同。

幻读

T1 读取某个范围的数据，T2 在这个范围内插入新的数据，T1 再次读取这个范围的数据，此时读取的结果和和第一次读取的结果不同。

可以看出，幻读问题是不可重复读问题的子集。

不可重复读和幻读的区别

很多人容易搞混不可重复读和幻读，确实这两者有些相似。但不可重复读重点在于update和delete，而幻读的重点在于insert。

如果使用锁机制来实现这两种隔离级别，在可重复读中，该sql第一次读取到数据后，就将这些数据加锁，其它事务无法修改这些数据，就可以实现可重复读了。但这种方法却无法锁住insert的数据，所以当事务A先前读取了数据，或者修改了全部数据，事务B还是可以insert数据提交，这时事务A就会发现莫名其妙多了一条之前没有的数据，这就是幻读，不能通过行锁来避免。需要Serializable隔离级别 ，读用读锁，写用写锁，读锁和写锁互斥，这么做可以有效的避免幻读、不可重复读、脏读等问题，但会极大的降低数据库的并发能力。

所以说不可重复读和幻读最大的区别，就在于如何通过锁机制来解决他们产生的问题。

上文说的，是使用悲观锁机制，但是MySQL、ORACLE、PostgreSQL等成熟的数据库，出于性能考虑，都是使用了以乐观锁为理论基础的MVCC(多版本并发控制)。

在 InnoDB 中，SELECT、UPDATE、DELETE 操作的不可重复读问题可以通过 MVCC 来解决，但是 INSERT 操作的不可重复读问题(幻读问题)需要通过 MVCC + Next-Key Locks 来解决。

多版本并发控制(MVCC)

多版本并发控制(Multi-Version Concurrency Control, MVCC)是 MySQL 的 InnoDB 存储引擎实现隔离级别的一种具体方式，用于实现提交读和可重复读这两种隔离级别。而未提交读隔离级别总是读取最新的数据行，无需使用 MVCC。可串行化隔离级别需要对所有读取的行都加锁，单纯使用 MVCC 无法实现。

基础概念

版本号

系统版本号：是一个递增的数字，每开始一个新的事务，系统版本号就会自动递增。

事务版本号：事务开始时的系统版本号。

隐藏的列

MVCC 在每行记录后面都保存着两个隐藏的列，用来存储两个版本号：

创建版本号：指示创建一个数据行的快照时的系统版本号；

删除版本号：如果该快照的删除版本号大于当前事务版本号表示该快照有效，否则表示该快照已经被删除了。

Undo 日志

MVCC 使用到的快照存储在 Undo 日志中，该日志通过回滚指针把一个数据行(Record)的所有快照连接起来。

实现过程

以下实现过程针对可重复读隔离级别。

当开始一个事务时，该事务的版本号肯定大于当前所有数据行快照的创建版本号，理解这一点很关键。数据行快照的创建版本号是创建数据行快照时的系统版本号，系统版本号随着创建事务而递增，因此新创建一个事务时，这个事务的系统版本号比之前的系统版本号都大，也就是比所有数据行快照的创建版本号都大。

SELECT

多个事务必须读取到同一个数据行的快照，并且这个快照是距离现在最近的一个有效快照。但是也有例外，如果有一个事务正在修改该数据行，那么它可以读取事务本身所做的修改，而不用和其它事务的读取结果一致。

把没有对一个数据行做修改的事务称为 T，T 所要读取的数据行快照的创建版本号必须小于等于 T 的版本号，因为如果大于 T 的版本号，那么表示该数据行快照是其它事务的最新修改，因此不能去读取它。除此之外，T 所要读取的数据行快照的删除版本号必须是未定义或者大于 T 的版本号，因为如果小于等于 T 的版本号，那么表示该数据行快照是已经被删除的，不应该去读取它。

INSERT

将当前系统版本号作为数据行快照的创建版本号。

DELETE

将当前系统版本号作为数据行快照的删除版本号。

UPDATE

将当前系统版本号作为更新前的数据行快照的删除版本号，并将当前系统版本号作为更新后的数据行快照的创建版本号。可以理解为先执行 DELETE 后执行 INSERT。

快照读与当前读

在可重复读级别中，通过MVCC机制，虽然让数据变得可重复读，但我们读到的数据可能是历史数据，是不及时的数据，不是数据库当前的数据！这在一些对于数据的时效特别敏感的业务中，就很可能出问题。

对于这种读取历史数据的方式，我们叫它快照读 (snapshot read)，而读取数据库当前版本数据的方式，叫当前读 (current read)。很显然，在MVCC中：

快照读：就是select。

select * from table ….;

当前读：特殊的读操作，插入/更新/删除操作，属于当前读，处理的都是当前的数据，需要加锁。

select * from table where ? lock in share mode;

select * from table where ? for update;

insert;

update ;

delete;

事务的隔离级别实际上都是定义了当前读的级别，MySQL为了减少锁处理(包括等待其它锁)的时间，提升并发能力，引入了快照读的概念，使得select不用加锁。而update、insert这些“当前读”，就需要另外的模块来解决了。

Next-Key Locks

Next-Key Locks 是 MySQL 的 InnoDB 存储引擎的一种锁实现。

MVCC 不能解决幻影读问题，Next-Key Locks 就是为了解决这个问题而存在的。在可重复读(REPEATABLE READ)隔离级别下，使用 MVCC + Next-Key Locks 可以解决幻读问题。

Record Locks

锁定一个记录上的索引，而不是记录本身。

如果表没有设置索引，InnoDB 会自动在主键上创建隐藏的聚簇索引，因此 Record Locks 依然可以使用。

Gap Locks

锁定索引之间的间隙，但是不包含索引本身。例如当一个事务执行以下语句，其它事务就不能在 t.c 中插入 15。

SELECT c FROM t WHERE c BETWEEN 10 and 20 FOR UPDATE;

Next-Key Locks

它是 Record Locks 和 Gap Locks 的结合，不仅锁定一个记录上的索引，也锁定索引之间的间隙。例如一个索引包含以下值：10, 11, 13, and 20，那么就需要锁定以下区间：

(-∞, 10]

(10, 11]

(11, 13]

(13, 20]

(20, +∞)

示例讲解

MySQL是这么实现的：

在class_teacher这张表中，teacher_id是个索引，那么它就会维护一套B+树的数据关系，为了简化，我们用链表结构来表达(实际上是个树形结构，但原理相同)

如图所示，InnoDB使用的是聚集索引，teacher_id身为二级索引，就要维护一个索引字段和主键id的树状结构(这里用链表形式表现)，并保持顺序排列。

Innodb将这段数据分成几个个区间

(negative infinity, 5],

(5,30],

(30,positive infinity)；

update class_teacher set class_name=‘初三四班’ where teacher_id=30;不仅用行锁，锁住了相应的数据行；同时也在两边的区间，(5,30]和(30，positive infinity)，都加入了gap锁。这样事务B就无法在这个两个区间insert进新数据。

受限于这种实现方式，Innodb很多时候会锁住不需要锁的区间。如下所示：

事务A

事务B

事务C

begin;

begin;

begin;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher;

表字段：id class_name teacher_id

update class_teacher set class_name='初一一班' where teacher_id=20;

insert into class_teacher values (null,'初三五班',10);waiting .....

insert into class_teacher values (null,'初三五班',40);

commit;

事务A commit之后，这条语句才插入成功

commit;

commit;

update的teacher_id=20是在(5，30]区间，即使没有修改任何数据，Innodb也会在这个区间加gap锁，而其它区间不会影响，事务C正常插入。

如果使用的是没有索引的字段，比如update class_teacher set teacher_id=7 where class_name=‘初三八班(即使没有匹配到任何数据)’,那么会给全表加入gap锁。同时，它不能像上文中行锁一样经过MySQL Server过滤自动解除不满足条件的锁，因为没有索引，则这些字段也就没有排序，也就没有区间。除非该事务提交，否则其它事务无法插入任何数据。

行锁防止别的事务修改或删除，GAP锁防止别的事务新增，行锁和GAP锁结合形成的的Next-Key锁共同解决了RR级别在写数据时的幻读问题。

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本文作者： 荒古

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