精通Java事务编程-弱隔离级别之快照隔离和可重复读

Posted 2022-08-09 公众号JavaEdge

表面看，RC已满足事务所需的一切特征：支持中止（原子性），防止读取不完整的事务结果，并防止并发写的混乱。这点很关键！为我们的开发省去一大堆麻烦。

但此隔离级别仍有很多地方可能产生并发错误。如图-6说明RC可能发生的问题。

Alice在银行有1000存款，分为两个账户，每个500。现有一笔转账交易从账户1转移100到账户2。若她在提交转账请求后、银行DB系统执行转账的过程中间，查看两个账户的余额，她可能看到账号2在收到转账前的余额（500），和账户1在完成转账之后的余额（400）。对Alice，貌似她的账户总共只有900，100消失！

这种异常就是不可重复读（nonrepeatable read）或读倾斜（read skew）：若Alice在交易结束时再读取账户1的余额，将看到和她之前的查询看到的不同的值（600）。RC下，不可重复读被认为是可接受的：Alice 看到的帐户余额的确都是账户当时的最新值。

术语 倾斜（skew） 这词有些滥用：以前使用它是因为热点的不平衡工作量，而在此意味着异常时序。

Alice案例不是长期持续的问题，几s后当她刷新银行页面，可能就看到一致的帐户余额。但有的场景不能容忍这种暂时的不一致：

• 备份
  备份需复制整个DB，大型DB可能需数h。备份进程运行时，DB仍会接受写。因此镜像备份里可能包含一些旧版本数据和一些新版本数据。从这样的备份中恢复，最终就会导致永久性的不一致（如那些消失的存款）
• 分析查询和完整性检查
  有时查询会扫描几乎大半个DB。这类查询在分析中很常见，也可能是定期的数据完整性检查（监视数据损坏情况）。若这些查询在不同时间点观察DB，则可能会返回无意义的结果

【快照隔离】是这类问题最常见解决方案。每个事务都从DB的一致性快照（consistent snapshot）中读取，即事务一开始所看到是最近提交的数据。即使这些数据随后被另一个事务更改，每个事务也只能看到该特定时间点的旧数据。

快照隔离对长时间运行的只读查询（如备份和分析）很有用。若数据在查询执行的同时变化，则很难理解查询结果的物理含义。而若查询的是DB在某特定时间点冻结时的一致性快照，则查询结果含义明确。

快照隔离很流行：PostgreSQL、InnoDB引擎的mysql、Oracle、SQL Server 等都支持。

实现快照隔离

类似RC，快照隔离的实现通常使用写锁防止脏写，正在进行写入的事务会阻止另一个事务修改同一个对象。但读取则不无需加锁。性能角度，快照隔离的关键点：读不会阻塞写，写不会阻塞读。这允许DB可在正常处理写入的同时，在一致性快照上执行长时间的只读查询，且两者之间没有任何锁竞争。

为实现快照隔离，DB用类似图-4防脏读但却更通用的机制。考虑到多个正在进行的事务可能在不同时间点查看数据库状态，所以DB保留对象的多个不同的提交版本，所以这种技术也称为多版本并发控制（MVCC, multi-version concurrency control）。

若只是为提供RC，而非完整的快照隔离，则只保留对象的两个版本即可：

• 已提交的旧版本
• 尚未提交的新版本

所以，支持快照隔离的存储引擎一般也直接使用MVCC实现RC。典型做法：

• 在RC下，为每个不同的查询单独创建一个快照
• 而快照隔离则是对整个事务使用相同的一个快照。

图-7说明如何在 PostgreSQL 中实现基于 MVCC 的快照隔离（其他实现基本类似）。当事务开始时，首先赋予一个唯一、单调递增 [^vii] 的事务ID（​​txid​​）。每当事务向DB写入新内容，所写入的数据都会被标记写入者的事务ID。

[^vii]: 事务ID是32位整数，所以大约在40亿次事务后溢出。 PostgreSQL 的 Vacuum 过程会清理老旧的事务 ID，确保事务 ID 溢出（回卷）不会影响到数据。

表中的每行都有个 ​​created_by​​ 字段，其中包含将该行插入到表中的的事务ID。都有个 ​​deleted_by​​ 字段，最初是空的。如某事务删除了一行，那么该行实际上并未从数据库中删除，而是通过将 ​​deleted_by​​ 字段设置为请求删除的事务的 ID 来标记为删除。稍后时间，当确定没有事务可以再访问已删除的数据时，数据库中的gc过程会将所有带有删除标记的行移除，并释放其空间。

这样的一笔​​UPDATE​​ 操作在内部会被转换为一个 ​​DELETE​​ 和一个 ​​INSERT​​ 。图-7中，事务13从账户2扣100，将余额从 500改为400。account 表会出现两条账户2的记录：

• 余额为500的行被标记为被事务13删除
• 余额为400的行由事务13创建

一致性快照的可见性规则

当事务读DB时，通过事务ID可决定哪些对象可见，哪些不可见。要想对上层应用维护好快照的一致性，需仔细定义可见性规则：

1. 每个事务开始时，DB列出当时所有当时还在进行中（即尚未提交或中止）的其它事务，然后忽略这些事务完成的部分写入(尽管之后可能会被提交)，即不可见
2. 所有中止事务所做的任何修改全部不可见
3. 较晚事务ID（即晚于当前事务开始）所做的任何修改不可见，而不管这些事务是否已完成提交
4. 此外的所有其他写入都对应用查询可见

以上规则适用于创建、删除操作。图-7中，当事务12从账户2读时，会看到500余额，因为500余额的删除是由事务13完成的（根据规则 3，事务12看不到事务13执行的删除），同理400美元记录的创建也不可见。

即若如下两个条件都成立，则该数据对象对事务可见：

• 读事务开始的时刻，创建该对象的事务已完成提交
• 对象未被标记为删除或即使被标记为删除了，但删除事务在当前读事务开始时还没有完成提交

长时间运行的事务可能会使用快照很长时间，其他事务角度，它可能在持续访问正在被覆盖或删除的内容。由于没有就地更新，而是每次修改总创建一个新版本，因此DB可以以较小运行代价来维护一致性快照。

索引和快照隔离

多版本DB如何支持索引？一种方案是索引直接指向对象所有版本，并且需要索引查询过滤掉对当前事务不可见的对象版本。当后台的GC进程决定删除某个事务不可见的旧对象版本时，相应索引条目也随之删除。

实践中，许多细节决定了多版本并发控制的性能，如：

• 可将同一对象的不同版本放入同一内存页，PostgreSQL如此优化可避免更新索引
• CouchDB、Datomic 和 LMDB使用另一种方案。虽然也使用B树，但采用追加/写时复制（append-only/copy-on-write），当需要更新时，不会修改现有的页，而总是创建一个新的修改副本，拷贝必要的内容，然后让父结点或递归向上直到树root都指向新创建的结点。那些不受更新影响的页面都无需复制，保持不变并被父结点所指向。

这种使用追加的B树，每个写入事务（或一批事务）都会创建一个新的B 树，当创建时，从该特定树根生长的树就是该时刻DB的一致性快照。这时就没必要根据事务ID再去过滤对象，每个写入都会修改现有的B树，因为之后的 询可以直接作用于特定快照B-tree（有利于查询性能）。采用这种方案依然需要后台进程来执行压缩和GC。

可重复读与命名混淆

快照隔离对只读事务特别有效。但DB实现用不同名字来称呼：

• Oracle 中称为可串行化（Serializable）
• PostgreSQL 和 MySQL 中称为可重复读（repeatable read）

命名混淆原因是SQL标准未定义快照隔离，而仍是基于System R 1975年定义的隔离级别，那时还没快照隔离。而定义了 可重复读，表面看起来接近快照隔离。 所以PostgreSQL 和 MySQL 称快照隔离级别为可重复读（repeatable read），这符合标准要求。

但SQL标准对隔离级别的定义存在缺陷的，模糊，不精确，做不到独立于实现。有几个DB实现了可重复读，但它们实际提供的保证差异很大。IBM DB2 使用 “可重复读” 实现可串行化级别的隔离。

所以导致结果，无人真正知道可重复读到底啥意思。