事务隔离（二）：基于加锁方式的事务隔离原理

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引言

前一篇文章中，介绍了ANSI SQL标准下的事务隔离级别及其扩展，这篇文章主要讨论了基于加锁的方式如何实现不同的事务隔离级别，全文的组织架构如下：

  • ANSI SQL标准下的事务隔离级别及其扩展回顾
  • 基于加锁方式的事务隔离原理

ANSI SQL标准下的事务隔离级别及其扩展回顾

ANSI SQL标准下的事务隔离级别是基于禁止某些干扰现象而制定的，这些现象如下：

脏读P1

W1(X)…R2(X)…A1…R2(X)

不可重复读P2

R1(X)…W2(X)…C2…R1(X)

幻读P3

R1(P)…W2(P)…C2…R1(P)

针对三种现象，ANSI SQL标准设定了四种事务隔离级别，如下：

  1. Read Uncommitted：有可能发生P1，P2和P3
  2. Read Committed：不可能发生P1，有可能发生P2和P3
  3. Repeatable Read：不可能发生P1，P2，有可能发生P3
  4. Serializable：不可能发生P1，P2和P3

整个事务个隔离级别，与杜绝的现象的对应关系如下图：

ANSI SQL Isolation Levels

由于ANSI SQL的标准存在以下限制：

  • 没有提及写操作的隔离性
  • ANSI SQL的标准比较老，对于采用多版本并发控制实现隔离性的级别不能够很好的描述

即新干扰现象P0和P4，其中脏写P0如下

W1(X)…W2(X)…A1

写丢失P4如下

R1(X)…R2(X)…W2(X)…C2…W1(X)…C1

因此，引入了新的隔离级别，包括

  • Cursor Stability
  • Snapshot

具体的分析，请参照我的博文(事务隔离（一）：ANSI SQL事务隔离级别，限制及扩展)。

基于加锁方式的事务隔离原理

基本概念

锁有两种，即共享锁(Share Lock)和排他锁(Exclusive Lock)，对于不同事务加在同一个数据项上的锁，如果其中至少有一个是排他锁的话，那么事务是会冲突的，即其中一个事务必须等待。一般共享锁也称为读锁(Read Lock)，而排它锁也称为写锁(Write Lock)。

读写锁根据锁住的数据项不同，分为普通锁和谓词锁。谓词锁是指锁住满足某一查询条件的所有数据项，它不仅包括当前在数据库中满足条件的记录，也包括即将要插入，更新或删除到数据库并满足查询条件的数据项。对于不同事务加在查询条件下的谓词锁，在至少一个是写锁的情况，且两个谓词条件中包含重叠的数据项时，则两个事务是冲突的。

well-formed read(write)是指在read(write)一个数据项或者查询条件时，会先对数据项或者查询条件加read(write) lock。如果一个事务的所有读写都是well-formed，那称事务是well-formed。

two-phase read(write)是当有一个或多个read(write) lock被释放后，不能再加新的read(write) lock。如果一个事务在释放一个或多个锁后，不再加其他的锁，那么称该事务是two-phase的。

如果一把锁从加上，到事务结束(commit or abort)后才释放，则称此锁是long duration的，否则，称锁是short duration的。

多个并发执行的事务是serializability，指的是并发调度执行的结果等于这些事务某个串行执行的结果。例如，有三个并发执行的事务T1，T2和T3，如果其执行结果和其某个串行执行((T1,T2,T3),(T1,T3,T2),(T2,T1,T3),(T2,T3,T1),(T3,T1,T2),(T3,T2,T1))的结果相同。

如果一个事务T1持有一把锁的情况下，另一个事务T2申请一把冲突的锁，那么，事务T2只有等到事务T1释放这把锁之后，才能加上这把锁。

根据数据库的基础理论，采用well-formed two-phase locking方式调度事务的话，是能够保证serializability的。

在了解到锁的基本概念之后，接下来讨论，如何基于锁来实现各种不同的隔离级别。

隔离级别如何实现

先来看所有的干扰现象：

脏写P0

W1(X)…W2(X)…A1

脏读P1

W1(X)…R2(X)…A1…R2(X)

不可重复读P2

R1(X)…W2(X)…C2…R1(X)

幻读P3

R1(P)…W2(P)…C2…R1(P)

写丢失P4

R1(X)…R2(X)…W2(X)…C2…W1(X)…C1

如果需要禁止P0，即禁止多个事务同时能修改一个数据项或谓词条件，则需要修改数据时，加写锁，并且是long duration的，此时，隔离级别满足Read Uncommitted。

如果需要禁止P1，即禁止读取到其他事务修改的中间状态的数据，在禁止P0的条件下，则需要，对读加锁，short duration的就能够满足条件，此时，隔离级别满足Read Committed。

如果需要禁止P4，即禁止事务读取并且修改某个数据项后，需要禁止其他事务再次修改，但如果只是读取的话，不影响，这里，需要一种特殊的锁，称为Cursor Lock，会对事务当前处理的行进行加锁，如果行记录被修改，那么锁会是long duration的，直到事务结束，如果，行未被修改，则锁会提前被释放，此时，隔离级别满足Curstor stability。

如果需要禁止P2，即要禁止到读到某个数据项后，该数据还可能被其他事务修改，因此，需要对读加锁，且一直加锁到事务结束，即long duration，此时，隔离级别满足Repeatable Read。

如果需要禁止P3，即要禁止读到某个谓词条件后，满足该谓词条件的数据还被其他事务修改，因此，需要对谓词条件加读锁，且是long duration的，此时，隔离级别满足SERIALIZABLE。

不同的加锁与事务隔离级别的对应关系如下：
Lock Isolation Levels

表格中最后一项中，对于读写锁都是long duration的，即到事务结束才会释放锁，即事务过程中只有加锁阶段，没有解锁阶段，这种方式和普通的two-phase locking有什么区别呢？

Two-phase Locking

普通的two-phase locking包含两个阶段：

  • Expanding phase：加锁阶段，此阶段只加锁，不释放锁
  • Shrinking phase：解锁阶段，此阶段只解锁，不加锁

普通的two-phase locking可能会如下问题：

假设有两个事务T1，T2，它们的时序如下

1
2
3
4
5
6
T1       T2
R1(X)
W1(X)
         R2(X)
         W2(X)
A1

由于事务T2读到的数据是事务T1修改的X，当事务T1回滚时，事务T2读到的数据就是脏数据，因此，需要对事务T2也进行回滚，如果存在T3也读到了T2修改的数据，那么T3也需要回滚，这样，会导致一系列的事务都需要回滚，称为Cascading Aborts。

而表格中的two-phase locking，只有加锁阶段，因此，不会存在上述问题。只有加锁阶段的two-phase locking，也称为strict two-phase locking。

由于two-phase locking采用的是加锁的方式，因此有可能会碰到经典的死锁问题，举个例子，如下：

假设有事务T1，T2，它们的加锁时序如下：

1
2
3
T1       T2
R1(X)   R2(Y)
W1(Y)   W2(X)

按照如上的时序，事务T1和T2处于等待互相释放锁的状态，即死锁。死锁问题会导致事务无法继续进行有效的工作，因此，必须要解决，常见的解决方案有：

  • 死锁检测并消除
  • 锁等待一段时间阈值后，对事务进行回滚，并释放所有锁

第一种方法，死锁检测并消除的方法是有一个单独的线程检测事务的锁等待图，如果图构成了一个环，那么，说明发生了死锁，此时，需要选择环中的一个事务进行回滚，并释放锁，使得其他事务能够继续运行下去。

第二种方法，锁等待一段时间阈值后，对事务进行回滚，并释放其所有锁，表明，每次发生死锁时，都会先回滚最早开始执行的事务，使得其他的事务能够继续运行下去。

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参考文献