InnoDB 事务隔离级探索

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1 概述

MySQL是多存储引擎的数据库系统，其中innodb是所有存储引擎中对事务系统实现最完善的，这体现在innodb支持 SQL 标准中的全部隔离级，以及提高并发读效率的MVCC（多版本并发控制）的实现。网上对innodb的锁和MVCC有很多介绍，我们在这里就不在这里过多描述。此篇文章我们将介绍事务隔离级的基础知识，以及innodb中事务隔离级入门代码，帮助大家了解和学习innodb事务隔离级。

2 基础概念

在介绍innodb的实现和源码之前我们要向大家普及一下事务锁的一些基础概念，在了解这些基础概念之后，才能深入了解innodb锁实现的来龙去脉。

所有基础概念中，我们首先要谈的是数据库标准。最早的数据库标准是从SQL86这个版本开始的，之后标准委员会不断发布新版本的标准，其中SQL92是引用比较多的版本。在制订标准之前，各家数据库厂商都有一套自己的定义和实现。在SQL标准出现后，规范了数据库的重要概念、行为、语法等等，如果有兴趣，可以从网上下载标准的文档，来了解标准的结构和内容。

最常提到的数据库锁的概念，我们可以认为是基于数据库标准中ACID中的I所产生的，也就是隔离这一概念所产生的。隔离这一概念，是用于描述不同事务并发对数据库访问，也就是进行增删改查时，操作的可见性。举例来说，当A用户发起事务A，插入了一条记录；事务B恰好进行查询，那么在不同的隔离要求或者说隔离级下，事务B有可能查询到该记录，也有可能查询不到该记录。

从数据库标准来看，隔离级分为四个等级，读未提交（Read uncommitted）、读提交（Read committed）、重复读（Repeatable read）和串行化（Serializable）。如果有对微软的oledb/ADO有了解的，在隔离级中还有chaos这样的定义，不过这些定义都不是国际标准化组织所做标准的内容，而是微软自己定义。

会有人问，为什么会有这四个隔离级？这是由于，在第一个SQL标准定义之前，数据库产品的实践活动中，在事务并发过程里碰到了这三个现象，脏读、不可重复读和幻读，事务隔离级就是针对这三种现象所提出的解决方法。下面我们就介绍一下，这三个现象的情况。

脏读（dirty reads），这是发生在一个事务读取的到另外一个事务未提交的数据。举例来说，用户A发起事务A，增加了一条记录Record A，在事务未提交的前，用户B发起事务B，读取到了新增的记录Record A。如果事务A进行了回滚，则事务B读取到了在事实以上不存在的记录。

不可重复读（nonrepeatable reads），这是发生在一个事务内，对同一记录进行多次查询，获得的结果内容不同的现象。举例来说，用户A发起事务A，，查询记录1，获得结果集1；用户B发起事务B，修改或者删除记录1，并提交；事务A再次查询记录1，获得结果集2，此时获得的记录不同于之前的记录或者无法查询到之前的记录。

幻读（phantoms），这是发生在一个事务内，使用相同查询条件，获得不同结果集的现象。举例来说，用户A发起事务A，使用过滤条件进行查询，获得结果集1；用户B发起事务B，增加一记录，该记录满足事务A的查询过滤条件，并提交。如果事务A，再次使用该过滤条件进行查询，将获得一条新增的记录的结果集。两次查询的结果集不同。

如下表格列出不同隔离级下所能产生的现象：

O表示在该隔离级下会发生该现象，X表示在该隔离级下不会发生该现象。

所以在日常技术讨论中，我们会说“设置更高的隔离级”，“更高”的隔离级会避免在事务并发级别中出现我们不遇到的现象，但同样更高也意味着更多的资源开销。

以上表格是在事务隔离级早起实现中所必须的达到，对应的隔离级将避免对应的读取现象，随着MVCC的技术推出，多版本的并发控制的提出，InnoDB在repeatable read情况下，开启了MVCC的read view，该功能特性通过读取历史版本，以及通过间隙锁的功能，避免了幻读的情况的发生。

3 事务隔离级

只有了解之前介绍的基础知识，我们才好理解数据库源码的实现，更易于在纷繁复杂的源码中理清脉络，定位和事务隔离级相关的代码，不论是innodb或是其他存储引擎，乃至其他数据库的实现。下面我们将列出innodb源码中一些基础的代码，该帮助大家入门事务隔离级的innodb实现。

3.1 innodb事务隔离级定义

在文件storage/innobase/include/trx0trx.h中定义了innodb支持的隔离级类型。

3.2 服务层事务隔离级和innodb事务隔离级映射

文件storage/innobase/handler/ha_innodb.cc，函数innobase_map_isolation_level将服务器层定义的事务隔离级转换为innodb的事务隔离级。在此处，连接起服务层和innodb存储引擎的事务隔离级。此处为代码阅读的核心位置，以此为核心，我们可以跟踪到innodb是如何初始化其内部事务。

3.3 初始化innodb事务隔离级

innodb的事务隔离级信息是保存在trx_t的isolation_level字段中，该结构定义在文件storage/innobase/include/trx0trx.h中

在函数ha_innobase::store_lock（storage/innobase/handler/ha_innodb.cc）中被初始化：

4 案例说明

案例1

在RR级别下，使用is null过滤非索引字段，测试幻读：

create table t_rr_null(f1 int ,f2 int, primary key(f1));
insert into t_rr_null values (1, 1);
insert into t_rr_null values (2, null);
insert into t_rr_null values (3, 3);
insert into t_rr_null values (5, null);
insert into t_rr_null values (6, 6);

session 1
begin; select * from t_rr_null where f2 is null for update;

session2
测试1
begin;insert into t_rr_null values (7,null);
被阻塞，正常现象

测试2
begin;insert into t_rr_null values (7,7);
被阻塞，非正常现象

上锁情况：

结论： 通过调试调试发现session 1的查询针对所有的记录以及最大伪记录设置了行锁，所以所有的增删改操作都将被阻塞。

参考：http://keithlan.github.io/2017/06/21/innodb_locks_algorithms/

案例2

1、通过对函数RecLock::lock_add和lock_rec_set_nth_bit，判断哪些行被增加了记录。

2、通过该段代码，第一次判断可能进行了全表扫描。

3、通过对函数evaluate_join_record设置断点，了解到虽然行（23，3）被上锁，但是没有进 行nested loop join的评估。

4、定位到函数handler::read_range_next中对最后一行的处理过程，由于不符合条件，尝试进行unlock_row的操作。

5、最后确定，在RR模式下，多读取的行（23，3）unlock_row没有对其进行释放。

6、尝试插入数据begin;insert into t_lock (f2) values (20);事务被阻塞，被锁原因是上X+GAP锁时被阻塞。（当尝试上GAP锁时，必然需要对GAP锁使用的行上行锁）：

7、猜测对f2使用unique key的约束，是否不会对(23,3)进行上锁，但并未加上unique索引后，依然会对(23,3)进行上锁。

8、尝试做如下操作：

session1:
begin;insert into t_lock (f2) values (18);
session2:
begin; select * from t_lock where f2 >= 5 and f2 <= 17 for update;

结果显示session2被阻塞，其锁情况如下，此时的innoDB产生两条锁记录，一个是由insert语句产生的锁，导致查询更新语句产生的锁被阻塞。

结论：在进行index 读取的时候，RR和Serializable隔离级级下，总是会多读取一行数据并上锁，该锁是纯粹的行锁。

参考：https://bugs.mysql.com/bug.php?id=90592

5 总结

至此，事务隔离级的基础都已经整理出来了。在设置好事务隔离级之后，innodb会根据事务隔离级，来确定是否使用MVCC的机制，根据事务隔离级，决定是否使用间隙锁。关于MVCC和间隙锁，在网上已经有很多文章进行描述了，我们在此就不进行赘述。

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