mysql的两阶段协议（封锁定理，虫洞事务）

Posted 2021-03-24 Eleganty

　　我们都知道数据库的事务具有ACID的四个属性：原子性，一致性，隔离性和持久性。然后在多线程操作的情况下，如果不能保证事务的隔离性，就会造成数据的修改丢失（事务2覆盖了事务1的修改结果）、读到脏数据（事务2读到了事务1未回滚的数据）、不可重读（事务2读到了事务1未提交的修改）和幻读（事务2读到了事务1未提交的增删）等。保证事务隔离性可以防止事务出现以上问题，那么数据库又是怎么来保证事务的隔离性的呢？

　　mysql使用两阶段协议来保证事务执行的串行化从而保证事务的隔离性的。
　　首先，为了保证数据访问的串行，每个数据资源都有对应的锁（mysql的锁只细化到行级），那么只要保证每个数据资源的访问都是串行化的，然后整个数据库不就可以保证每个数据操作之间的隔离性了么，就是说：

　　只要每个数据操作都有对应的锁覆盖，然后把每个操作都加上对应的锁，这样可以保证事务执行的串行化么？

　　答案是：可以保证，但是有个前提是每个事务只包含对一个数据的操作。事实上mysql也默认是这样做的：如果用户没有手动开启事务，那么根据AUTOCOMMIT机制，mysql默认将每一个数据库操作封装成一个事务来处理。

　　然而实际情况中，很多时候一个事务不只包含一个数据库操作，比如电商平台在生成订单时，一个事务里包含了对订单表、用户表、商品表等的操作。在多线程操作的情况下，如果只用数据库的锁来保证的话，就会出现上面所提到的一些数据异常情况。这时候就需要两阶段协议来保证事务的隔离性了。那么进入今天的主题：

　　两阶段协议如何保证多事务操作之间的隔离性？

　　上面说过，只要事务执行是串行的，事务之间就是隔离的，在网上搜索两阶段协议为何能保证串行化，只搜到一个封锁定理：如果事务是良构的且是两阶段的，那么任何一个合法的调度都是可串行化的。 既然是定理，那一定是严格成立且可证明的，于是顺藤摸瓜，找到了封锁定理的证明（<事务处理:概念与技术>>这本书的7.5.8.2节）。

　　首先我们解析命题：

　　条件：良构的事务、两阶段、合法的调度

　　结论：是可串行化的。

　　在书上找到条件的描述：

　　如果事务的每个READ、WRITE、 UNLOCK都被响应的锁覆盖，且所有的锁都是在事务结束时释放，那么称这样的事物是良构的。（mysql的表和行数据在被操作时，都有对应的锁覆盖）　

　　如果一个事务可以分成两个阶段，只请求封锁的扩展阶段和只释放锁的收缩阶段，那么称之为两阶段的事务。（mysql采用两阶段封锁协议）

　　调度是一组事务的操作的某种合并结果。（mysql支持多事务并行执行）

　　一个调度是合法的，如果同一时间没发生两个不同事务的锁冲突。（mysql需要保证并行事务不冲突）

　　因为每个事务T都是良构的，所以必定对应着一个解锁操作Unlock，事务T的解锁操作步骤在调度中的索引为St。

　　假设在调度中事务T1在事务T2之前执行，T1<<<T2，则事务T2依赖事务T1，使得事务T1对对象O的操作步骤a1在事务T2对对象O的操作步骤a2之前，那么a1和a2必定有一个步骤对象O正覆盖着排他锁（WRITE）（因为如果是两个挨着的读事务（READ）不存在依赖关系，所以他们的执行顺序没有明确的等价执行序列），如果是a1时对象O覆盖着一个XLOCK（排他锁），a2时对象O应该覆盖着一个SLOCK(共享锁)或XLOCK（排他锁），与前面的XLOCK互斥，又由于是两阶段的，所以在a1和a2之间，会存在一个事务T1给对象O解锁的Unlock操作步骤St1，事务T2的解锁操作步骤St2在a2之后，所以有：St1<<<St2，即事务T1的解锁在事务T2的解锁之前。同理在a2是WRITE操作的时候也成立。如果调度是不可串行化的，那么必然存在T1<<<T2时，St2<<<St1，与上述结论矛盾，所以：

　　如果一个调度包含的事物都是良构的且为两阶段的，那么该调度是可串行化的。

　　可能有人会问，为什么不给每个事务加排他锁来保证多事务执行的串行化呢？

　　是因为如果把读锁也定义为排他锁的话，会大大的降低并发读的效率，而查询操作在数据库的操作中占了很大的比例，所以mysql默认采用的可重复读的隔离级别，用两阶段协议和全场景覆盖的锁来保证执行结果的串行化，并没有采用全用排他锁来保证串行化。