数据库事务隔离级别与并发控制

描述
数据库事务隔离级别定义了多个并发事务之间的可见性规则，解决脏读、不可重复读、幻读等并发问题。它是ACID特性中隔离性（Isolation）的具体实现标准，通过不同的锁机制和多版本并发控制（MVCC）来实现。

解题过程

1. 并发事务的三大问题

• 脏读：事务A读取了事务B未提交的数据修改，如果事务B回滚，事务A读取的就是无效数据
• 不可重复读：事务A多次读取同一数据，期间事务B修改了该数据并提交，导致事务A多次读取结果不一致
• 幻读：事务A按相同条件查询，期间事务B插入或删除了符合条件的数据，导致事务A两次查询结果集数量不一致

2. 四种标准隔离级别（从低到高）

2.1 读未提交（Read Uncommitted）

• 原理：允许读取其他事务未提交的修改
• 解决的问题：无（性能最高，但数据一致性最差）
• 存在的问题：脏读、不可重复读、幻读都可能发生
• 实现方式：通常不加读锁，或使用极短暂的共享锁

2.2 读已提交（Read Committed）

• 原理：只能读取其他事务已提交的修改
• 解决的问题：脏读
• 存在的问题：不可重复读、幻读
• 实现方式：
  • 锁实现：写时加排他锁（直到事务结束），读时加共享锁（读完立即释放）
  • MVCC实现：每次读取时创建数据快照，只包含已提交的数据版本

2.3 可重复读（Repeatable Read）

• 原理：保证事务内多次读取同一数据结果一致
• 解决的问题：脏读、不可重复读
• 存在的问题：幻读（在某些数据库中通过特殊机制解决）
• 实现方式：
  • 锁实现：读锁和写锁都保持到事务结束
  • MVCC实现：事务开始时创建数据快照，整个事务期间都基于此快照读取

2.4 序列化（Serializable）

• 原理：完全串行化执行，最高隔离级别
• 解决的问题：脏读、不可重复读、幻读
• 实现方式：
  • 锁实现：范围锁（Range Lock）防止其他事务修改或插入影响查询结果的数据
  • MVCC实现：严格的版本控制，可能结合悲观锁机制

3. MVCC实现原理

-- 数据表增加版本控制字段
CREATE TABLE products (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100),
    price DECIMAL(10,2),
    created_version INT,    -- 创建版本号
    expired_version INT     -- 过期版本号（NULL表示当前有效）
);

MVCC读取过程：

1. 每个事务有唯一递增版本号
2. 读取时只选择 created_version ≤ 当前版本 且 (expired_version > 当前版本 OR expired_version IS NULL) 的记录
3. 更新时不是直接修改，而是插入新版本记录，将旧记录的expired_version设为当前版本

4. 隔离级别的选择权衡

• 数据一致性要求：金融系统通常需要可重复读或序列化级别
• 系统性能考虑：隔离级别越高，并发性能越差，锁竞争越激烈
• 业务场景特点：读多写少场景适合MVCC，写密集场景可能需要权衡

5. 实际数据库中的实现差异

• MySQL InnoDB：默认可重复读，通过Next-Key Lock解决幻读
• PostgreSQL：默认读已提交，但MVCC实现很完善
• Oracle：默认读已提交，提供序列化快照隔离

理解事务隔离级别有助于在具体业务场景中选择合适的隔离级别，平衡数据一致性和系统性能的需求。