MySQL 是如何实现 ACID 的？

我们都知道，事务具有 ACID 四个特性——原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability）。但你知道 MySQL 是通过什么技术手段来实现的吗？

ACID 简介

先来简单回顾一下 ACID 的定义：

原子性：事务作为一个整体被执行，包含在其中的对数据库的操作要么全部被执行，要么都不执行。

一致性：事务开始前和事务结束后，数据库的完整性没有被破坏。即写入的数据必须完全符合所有的预设约束、触发器、级联回滚等。

隔离性：多个事务并发执行时，一个事务的执行不应影响其他事务的执行。

持久性：已被提交的事务对数据库的修改应该永久保存在数据库中。即使系统挂了，数据也不会丢。

我们按照：持久性 -> 原子性 -> 隔离性 -> 一致性 的顺序来讨论。

PS：本文基于 InnoDB

 

持久性

我们知道程序修改数据的时候，是先将数据从磁盘加载到内存，然后修改完再由内存写回磁盘。持久化其实就是将内存里的数据写入磁盘。因此，持久性的关键就在于如何保证数据可以由内存顺利写入磁盘。

我们有以下几个方案：

方案一：

1. 加载数据到内存
2. 修改内存
3. 然后写回磁盘
4. 提交事务

方案二：

1. 加载数据到内存
2. 修改内存
3. 提交事务
4. 后台写回磁盘

 

第一种方案，靠谱是靠谱，但频繁 I/O 性能太低，会严重拖累 MySQL 的吞吐量。

第二种方案虽然性能上来了，但如果在第四步时宕机了，而系统认为事务已提交，这时候就会丢失数据了。

那怎么办呢？MySQL 给出的方案是 WAL（Write Ahead Log）机制。WAL 翻译过来就是先写日志的意思。这个日志就是 redo log。具体做法是：

1. 加载数据到内存
2. 修改内存
3. 写入 redo log
4. 提交事务
5. 后台写回磁盘

如果第五步时系统宕机，也可以通过 redo log 来恢复。

你可能有疑问：写入 redo log 不也有磁盘 I/O 吗？这不是脱了那啥再那啥，多此一举吗？写 redo log 和写表的区别就在于随机写和顺序写。MySQL 的表数据是随机存储在磁盘中的，而 redo log 是一块固定大小的连续空间。而磁盘顺序写入要比随机写入快几个数量级。

因此，这种方案即保证了数据的安全，性能上也能够接受。

 

原子性

假如一个事务做了如下操作：

1. 插入一条数据 insert into user values('1','小刘','18')
2. 更新一条数据 update user set name = '小水' where id = 2
3. 删除一条数据 delete from user where id = 3

根据原子性的规定，这三个操作要么都成功，要么都失败。那么问题就来了，如何保证 3 失败的情况下，让 1，2 也回退呢？

答案就是 undo log。

每个事务操作（增删改）都会记录一条与之对应的 undo log：

1. insert 记录插入的主键，回滚则根据该主键删除记录
2. update 记录记录主键和被修改列的当前值，回滚则根据主键和之前的值覆盖
3. delete 为记录添加删除标志，即 MySQL 内部的逻辑删除，回滚根据主键恢复

 

隔离性

数据库事务有四种隔离级别，不同的级别可能会出现各种各样的问题（脏读、幻读、不可重复读），关系如下：

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
读未提交（Read uncommitted）	可能	可能	可能
读已提交（Read committed）	不可能	可能	可能
可重复读（Repeatable read）	不可能	不可能	可能
可串行化（Serializable）	不可能	不可能	不可能

 

 

MySQL 中 RR 级别已经解决了幻读问题。

 

并发的情况才需要隔离，而并发有三种组合：

1. 读读
2. 读写
3. 写写

「读读」的情况，不需要隔离；「读写」通过 MVCC 隔离；「写写」只能通过锁来隔离。

MVCC（Multi Version Concurrency Control，多版本并发控制）作用于 RC 和 RR 级别。可以为事务中的读操作创建一个快照（Readview），从而来避免被其他事务干扰。

RC 级别下，一个事务中的每次（同参数）读都会创建一个 Readview。

RR 级别下，一个事务中只在第一次读时创建 Readview，后面再次读，仍然读取该 Readview。

「写写」的情况通过三种锁来实现隔离：Record Lock、Gap Lock 和 Next Key Lock（前两者的组合）。

Record Lock 锁住一条数据，从而使其他事务无法修改和删除；Gap Lock 锁住一个范围，从而使其他事务不能在该区间插入数据；Next Key Lock 锁住具体数据和区间，从而使其他事务无法更新、删除和在该区间插入数据。

MVCC + 锁 使得 MySQL 在 RR 级别避免了幻读问题。

 

一致性

很多人聊到一致性，很喜欢拿转账的业务举例，但这明显是原子性的范畴——A 账户扣钱，B 账户加钱，两个 Update 操作，要么都成功，要么都失败。

一致性更侧重是，数据的完整性：主外键约束、唯一索引、列完整等。MySQL 中保证一致性主要靠 CR（Crash Recovery）和 DWB（Doublewrite Buffer）来保证的。

这两个特性比较复杂，一篇文章根本讲不完，如果你感兴趣可以去看官方文档，或者留言告诉我，我来安排。

 

最后

一致性是一个比较特殊的存在，它和原子性、隔离性有一层「你中有我，我中有你」的暧昧关系。比如转账的业务场景，如果说它属于一致性的范畴，也能够说得通，可以叫「用户自定义一致性」；另外，隔离性使得事务之间互不影响的最终效果也是保证了数据的一致。