MSSQL-并发控制-2-Isolation

Posted 2020-10-15 苏家小萝卜

 

 

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       mysql通过MVCC和锁来实现并发控制，在4个隔离级别中，读写数据方式及加锁方式有所不同，以满足不同的业务需求。

    而在MSSQL中，也是通过锁和MVCC的行版本来实现并发控制。

    每个事务中，锁的类型、级别、加锁、释放的情况，由事务的隔离级别控制，在MSSQL中，有6个隔离级别，不同的隔离级别对锁的应用不一样。而这两个隔离级别中，有2个应用 MVCC的机制，也就是 快照类的隔离级别：Read Commmitted Snapshot 跟 Snapshot。

1 并发控制理论

    在MSSQL中，经常用到的并发控制理论是 悲观并发控制跟乐观并发控制。

1.1 悲观并发控制

    悲观并发，默认在事务操作过程中，一定会有其他事务跟它争夺资源，所以在事务操作过程中，会根据不同的情况对数据添加锁，避免操作期间其他事务对该数据的修改或读取，保证数据的一致性。

    悲观并发控制，由于纳入了锁机制，很大程度会影响到并发规模。主要应用于数据频繁修改、并且回滚事务的成本要大于锁数据的成本 的系统中。

1.2 乐观并发控制

    乐观控制，默认事务在读取数据的时候，其他事务并没有在操作这些数据，所以不会加锁，直接修改数据，修改后查看读取数据期间是否有其他用户也修改了数据，如果有，则回滚本身的修改事务。

    乐观并发控制，应用于数据修改不频繁、并且 回滚事务成本要小于锁数据成本 的系统中。 

2 隔离级别

    在每一个事务中，都指定了一个隔离级别，该隔离级别定义了这个事务跟其他事务之间的隔离程度。

 

    在MSSQL中，有6种隔离级别，4个常规隔离级别跟2个快照隔离级别：Read UnCommitted、Read Committed、Read Commmitted (行版本)、Read Repeattable、Snapshot跟Read Serializeble。Read Commmitted (行版本)跟Snapshot 可能接触情况比较少，不过仍会说明。

 

    在MySQL中，默认的隔离级别是RR，而在SQL SERVER中，默认的隔离级别是RC，读已提交。

2.1 隔离级别说明

    如何设置整个数据库的默认隔离级别？   

 

    数据不一致的说明详见之前博文：http://www.cnblogs.com/xinysu/p/7260227.html 中的第四章：数据不一致情况。

 

    下文中说S锁，并不是全部加锁过程（MSSQL中还是IS锁的申请）。

1. Read UnCommitted
• 简称 RU，读未提交记录，始终是读最新记录
• 可能存在脏读、不可重复读、幻读等问题
• 读的过程不加S锁，等同于 SELECT * FROM tbname with(nolock)
2. Read Committed
• 简称 RC ，读已提交记录
• 可能存在不可重复读、幻读等问题
• 读的过程加 S锁，无论事务是否结束，SELECT 语句一旦结束，立马释放S锁，不会等到事务结束才释放锁，遵循的是 Strict 2-PL
3. Read Commmitted (行版本)
• 简称 RCSI
• 应用MVCC原理，版本读，读已提交记录，但是读取到的不一定是最新的记录
• 同个事务中，读取数据都是同一个版本
• 不存在脏读、不可重复读问题，可能存在幻读问题
• 行版本控制隔离级别 中的版本数据，不存在与数据库本身，而是存在 tempdb ，下文会详细描述这一隔离级别
4. Read Repeattable
• 简称 RR ，可重复读记录
• 可能存在幻读等问题
• 读的过程加S锁，直到事务结束，才释放S锁，遵循的是 Stong Strict 2-PL
5. Snapshot
• 简称 SI
• 下文会详细描述这一隔离级别
6. Read Serializeble
• 简称 RS，序列化读记录
• 不存在 脏读、不可重复读、幻读等问题
• 读的过程中除了添加S锁，还添加范围锁；修改数据的过程中，除了添加 X 锁，也会添加范围锁，避免在符合条件的数据在操作过程中，有其他符合条件的数据INSERT进来
• 并发度最差，除非明确业务需求及性能影响才使用，曾经遇到过某个短信业务的框架默认使用这个隔离级别，上线后爆发死锁上K个，马上分析紧急修复....

2.2 Read Commmitted Snapshot Isolation 与 Snapshot Isolation

    Read Commmitted Snapshot Isolation 使用行版本控制语句级的快照，在事务中当数据发生修改或者删除时，调用写入复制机制，保证写入的行数据的旧版本满足事务操作前的一致性。 RCSI 保证的是语句级的 读一致性。

    Snapshot Isolation 使用行版本控制事务级的快照，当事务开始的时候，调用写入复制机制。 SI 保证的是事务级 的读取一致性。

         

     如何管理行版本信息呢？

     两者的行版本的信息均存储在tempdb数据库内，并非存储在本身的数据库，这就要求tempdb要有足够的空间存储版本信息，如果tempdb空间不足，则行版本写入失败，造成该隔离级别无法正常使用。

     存储引擎对使用 RCSI 或者 SI 隔离级别的事务，在 SI事务开始的时候，分配一个事务序列号 XLN，每次分配递增1，以此实现事务级的一致性，这里注意 RCSI的 事务序列号 并不是一个事务一个序列号，而是事务内每条SQL一个事务序列号，以此来实现语句级别的快照。这两个隔离级别下，需要维护所有执行过数据修改的逻辑副本（即行版本），这些逻辑副本存储在tempdb内，每个逻辑副本（行版本）都有标记本次的事务的事务序列号XLN。即 最新的行值存储在当前的数据库中，而历史行版本信息包括最新版本，存储在tempdb中。这里注意一下，事务内的修改数据写行版本信息的时候，先写入到缓存池中，在刷新到tempdb文件，避免性能造成太大的影响。

    

    这个时候，可能会问？那岂不是tempdb要存储非常多的历史版本数据，有没有删除机制呢？

    这个是有的，一方面，行版本信息不会即时删除，因为要保证基于行版本控制隔离级别下运行的事务要求，保证并行的事务如果正在使用tempdb的行版本信息 不会受到影响。另一方面，数据库的存储引擎 会跟踪最早可用的事务序列号，然后定期删除比序列号更小的 XLN的所有行版本。

      

      如何读取行版本信息呢？

      两个快照隔离级别下的 的事务读数据的时候，不会获取正在读取数据上的共享锁，因此不会堵塞正在修改的事务，由于减少了锁的申请及数量，可以提供其DB并发能力。不过会获取所在表格的架构锁，如果表格正在发现架构修改（如列增加修改等），则会被堵塞。

      如何读取合适的行版本，RCSI 跟 SI 之间是有区别的。

      RCSI：每次启动语句时，提交所有数据，同时读取tempdb中的最新事务序列，这使 RCSI 下事务内的每个语句 都可以查看每个语句启动时存在的最新数据的快照，也就是 事务内多个SQL查询间隙中有其他事务修改了数据，那么同个事务的多次相同SQL查询结果就会出现不一致的情况。

      SI：每次启动事务时，提交所有数据，读取 最接近但低于 本身的 快照事务序列号，也就是 事务内的多个SQL 查询，读到的数据都是同一个版本，即使多次查询间隙有其他事务修改数据，读到的结果也是一致的。

 

      如何修改行版本信息呢 ？

      在使用 RCSI 事务中，使用阻塞性扫描（其中读取数据值时将在数据行上采用更新锁（U 锁）完成选择要更新的行，满足条件的行记录将升级更新锁到排它锁，注意，这里扫描的不是tempdb里边的行版本信息，而是实际数据库里边的最新行记录，修改数据的机制跟 RC 相同。 如果数据行不符合更新条件，则在该行上将释放更新锁，同时锁定下一行并对其进行扫描。持有锁之后，则进行数据更新，事务结束后，释放锁。

 

      在使用 SI 事务中，对数据修改采用乐观方法：使用行版本的数据，进行数据修改，直到数据修改完成是，才获取实际数据上的锁， 当数据行符合更新标准时，则提交修改的数据行。 如果数据行已在快照事务以外修改，则将出现更新冲突，同时快照事务也将终止。 更新冲突由数据库引擎处理，无法禁用更新冲突检测。

 

      从简单的SQL来分析，WHERE条件均为主键（仅为个人测试推测）：

• 同个事务，多次 SELECT  * FROM tbname WHERE id=2
• RCSI，在同个事务中，每个SQL启动的时候，提交数据到tempdb表格（个人推测，应该是会分配一个类似hash字符串之类的，如果同个事务中的多次查询结果一致，应该不用在每个SQL开始的时候，重复提交行版本到tempdb），从tempdb中读取最新版本信息，如果tempdb没有版本信息，则从 数据库中读取，并把读取到的记录存储在 tempdb。会存在同个事务中，多次读取数据结果不一致的情况。
• SI，在同个事务中，同个事务内的相同SQL 从tempdb中读取距离当前事务最新的版本，整个事务内部的SQL都是用这个版本数据，如果tempdb没有版本信息，则从 数据库中读取，并把读取到的记录存储在 tempdb。同个事务中，不会存在 多次读取数据结果不一致的情况。
• UPDATE tbname SET colname=\'xinysu\' WHERE id=18
• RCSI，直接读取数据库中的数据，根据主键加上X锁，更新数据，这个操作跟 RC 隔离级别是一样的。
• SI，读取 行版本 数据，在行版本上选择需要更新的行，修改成功后把数据 修改到实际的数据库中去，如果 实际数据库中的数据在这段操作期间已被其他事务修改了数值，则会出现更新冲突，该事务将报错停止。即，SI 在 UPDATE 的时候，有更新冲突检测。
• 为啥要先在行版本上更新，最后在更新到实际数据上？
• 假设一个UPDATE运行需要3s，但是只更新了1条行记录，如果直接在实际数据上更新，则需要锁定扫描记录3s，最后更新，中间会堵塞到其他事务对该数据的查询，但是如果在行版本上更新，则不需要锁住 实际数据，最后更新1行记录的时候，非常快，避免长时间的堵塞，提高并发能力。

属性	使用行版本控制的已提交读隔离级别	快照隔离级别
数据库级选项启动	READ_COMMITTED_SNAPSHOT	ALLOW_SNAPSHOT_ISOLATION
事务设置	使用默认的已提交读隔离级别，或运行 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL 语句来指定 READ COMMITTED 隔离级别	SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL 来在事务启动前指定 SNAPSHOT 隔离级别
行版本处理	在每条语句启动前提交的所有数据。	在每个事务启动前提交的所有数据。
更新处理	从行版本恢复到实际的数据，以选择要更新的行并使用选择的数据行上的更新锁。 获取要修改的实际数据行上的排他锁。 没有更新冲突检测。	使用行版本选择要更新的行。 尝试获取要修改的实际数据行上的排他锁，如果数据已被其他事务修改，则出现更新冲突，同时快照事务也将终止。
更新冲突检测	无	集成支持。 无法禁用。

3 隔离级别测试

    查看当前会话的数据库隔离级别：DBCC USEROPTIONS ，查看[set options] = \'isolation level\'，即可查看当前事务的隔离级别。

    数据不一致的说明详见之前博文：http://www.cnblogs.com/xinysu/p/7260227.html 中的第四章：数据不一致情况。

    2-PL锁申请释放的说明详见之前博文：http://www.cnblogs.com/xinysu/p/7260227.html 中的第3章：数据不一致情况。

 

    设置数据库隔离级别：

• RU，事务开始的时候，设置 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED
• RC，事务开始的时候，设置 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED
• RCSI，整个数据库级设置 READ_COMMITTED_SNAPSHOT 为ON，注意，设置的这个的时候需要获取数据库的独占权，也就是当前不允许有用户线程连接数据库，否者这个设置SQL会一直处于堵塞情况。如果当前数据库的默认隔离级别是 RC，则设置后，默认为RCSI，否者，需要在事务开始的时候，设置 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED
• 数据库设置：当前数据库下，执行 ALTER DATABASE dbname SET READ_COMMITTED_SNAPSHOT ON
• 事务设置：SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED
• RR，事务开始的时候，设置 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ
• RS，事务开始的时候，设置 SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE
• SI，整个数据库级设置 ALLOW_SNAPSHOT_ISOLATION 为ON，同时设置事务的隔离级别为 SNAPSHOT。注意，这里的 ALLOW_SNAPSHOT_ISOLATION 设置也是需要获取数据的独占锁。
• 数据库设置：当前数据库下，执行 ALTER DATABASE dbname SET ALLOW_SNAPSHOT_ISOLATION ON
• 事务设置：SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SNAPSHOT;

 

    测试过程中，分为3个表格：无索引、有索引、有唯一索引。

 

CREATE TABLE tb_no_index ( id int primary key not null identity(1,1), age int not null, name varchar(100) );
CREATE TABLE tb_index ( id int primary key not null identity(1,1), age int not null, name varchar(100) );
CREATE TABLE tb_unique_index ( id int primary key not null identity(1,1), age int not null,name varchar(100) );
 
CREATE INDEX IX_age ON tb_index(age)
CREATE INDEX IX_unique_age ON tb_index(age)
 
INSERT INTO tb_no_index(age) values(2),(9),(21),(4),(7),(25);
INSERT INTO tb_index(age) values(2),(9),(21),(4),(7),(25);
INSERT INTO tb_unique_index(age) values(2),(9),(21),(4),(7),(25);

3.1 Read Uncommitted

• 数据不一致情况测试截图 
• 
• RU测试结论
• 在RU隔离级别下
• 不会出现更新丢失情况（锁机制），但是会出现 脏读、不可重复读及幻读的情况。
• 读不加行锁，可以读未提交数据

3.2 Read Committed

• 数据不一致情况测试截图
• 
• 读情况测试
  • 
• RC测试结论
• 在RC隔离级别下
• 不会出现更新丢失情况（锁机制）、脏读现象，但是会出现 不可重复读及幻读的情况
• 读需要申请锁，故不会出现脏读情况
• 遵循 强2-PL模式，事务内的读锁读完即刻释放，写锁等到事务提交的时候才释放。

3.3 Read Commit Snapshot Isolation

• 测试环境设置
• 实现设置数据库隔离级别为：
• 检查当前会话的默认隔离级别：
• 数据不一致情况测试截图
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• 更新冲突测试
  • 
• RCSI 测试结论
• 读不加锁，但申请表格的架构锁，读行版本数据
• 不存在丢失更新、脏读情况，但是存在不可重复读及幻读情况
• 没有更新冲突检测，RCSI跟RC的更新处理方式一样

3.4 Read Reaptable

• 数据不一致情况测试截图
• 
• RR测试结论
• 读加S锁，事务结束后才释放S锁
• 不存在丢失更新、脏读及不可重复读情况，但是存在幻读情况

3.5 Read Serializable

• 数据不一致情况测试截图
  • 
• RS 测试结论
• 读加S锁，事务结束后才释放S锁
• 增加了范围锁
• 不存在丢失更新、脏读、不可重复读、幻读情况
• 并发能力最差

3.6 Snapshot Isolation

• 数据不一致情况测试截图
  • 
• 更新冲突测试
• 
• SI 测试结论
• 不存在 丢失更新、脏读、幻读等数据不一致情况
• 读不加锁，为读行版本数据
• 具有冲突监测，无法禁用，如果使用这个隔离级别，程序要做更新冲突的回滚处理

4 总结

隔离级别	说明	脏读	不可重复读	幻影	并发控制模型
Read UnCommitted	未提交读	YES	YES	YES	悲观
Read Committed	已提交读	NO	YES	YES	悲观
Read Commmitted (行版本)	已提交读（快照）	NO	YES	YES	乐观
Read Repeattable	可重复读	NO	NO	YES	悲观
Snapshot	快照	NO	NO	NO	乐观
Read Serializeble	可串行化	NO	NO	NO	悲观