MySQL 是如何实现事务的？

MySQL 的事务实现主要依赖于存储引擎（默认使用 InnoDB），通过 日志机制、锁机制 和 多版本并发控制（MVCC） 来满足事务的 ACID 特性。以下是其核心实现原理：

一、ACID 特性的实现

1. 原子性（Atomicity）

• 目标：事务的所有操作要么全部完成，要么全部回滚。
• 实现：
  • Undo Log（回滚日志）：
    • 记录事务修改前的数据快照（旧版本数据）。
    • 若事务回滚或崩溃恢复时，通过 Undo Log 将数据恢复到事务前的状态。
    • Undo Log 存储在 Undo Tablespace 中（默认位于系统表空间或独立文件）。
  • 事务状态管理：
    • 每个事务有唯一的事务 ID（TRX_ID），通过 InnoDB 的 事务系统 跟踪事务状态（活跃、提交、回滚）。

2. 持久性（Durability）

• 目标：事务提交后，修改永久保存，即使系统崩溃也不丢失。
• 实现：
  • Redo Log（重做日志）：
    • 记录事务对数据页的物理修改（例如：“将 page 5 的 offset 100 处修改为 42”）。
    • 事务提交时，Redo Log 会先刷盘（fsync），保证数据修改的持久性（即使宕机，恢复时也能重放日志）。
  • Double Write Buffer：
    • 防止数据页部分写入（partial page write）导致的损坏。在修改数据页前，先将页副本写入 Double Write Buffer，再写入实际位置。

3. 隔离性（Isolation）

• 目标：并发事务之间互不干扰。
• 实现：
  • 锁机制：
    • 共享锁（S Lock）：允许读，阻止其他事务加排他锁。
    • 排他锁（X Lock）：阻止其他事务加任何锁。
    • 行级锁：InnoDB 默认对修改的行加锁（而非表锁），减少锁冲突。
    • 间隙锁（Gap Lock） 和 Next-Key Lock：防止幻读（Phantom Read）。
  • MVCC（多版本并发控制）：
    • 通过 Undo Log 维护数据的多个版本，实现非锁定读（Read Committed 和 Repeatable Read 隔离级别下）。
    • 每个事务启动时生成一个 ReadView，决定可见哪些版本的数据：
      • TRX_ID < 当前活跃事务的最小 ID → 可见。
      • TRX_ID > 当前事务 ID → 不可见。
      • TRX_ID 在活跃事务列表中 → 不可见。

4. 一致性（Consistency）

• 目标：事务执行后，数据库从一个有效状态转换到另一个有效状态。
• 实现：
  • 通过原子性、隔离性、持久性共同保证。
  • 数据库约束（如主键、外键、唯一约束、CHECK 约束）确保数据逻辑一致。

二、事务执行流程（以 InnoDB 为例）

1. 事务开启

• 显式：BEGIN 或 START TRANSACTION。
• 隐式：执行第一条 SQL 时自动开启。

2. 数据修改（以 UPDATE 为例）

1. 加锁：
   • 对目标行加排他锁（X Lock），阻止其他事务修改。
2. 写 Undo Log：
   • 记录修改前的数据到 Undo Log，用于回滚和 MVCC。
3. 修改 Buffer Pool：
   • 在内存中更新数据页（此时数据页变为“脏页”）。
4. 写 Redo Log：
   • 将修改记录到 Redo Log Buffer（事务提交时刷盘）。

3. 事务提交

1. Redo Log 刷盘：
   • 将 Redo Log Buffer 中的日志写入磁盘（fsync），确保持久性。
2. 释放锁：
   • 释放事务持有的行锁（间隙锁可能保留到事务结束）。
3. 清理 Undo Log：
   • 若事务已提交，Undo Log 可被后续事务覆盖（若其他事务不再需要旧版本数据）。

4. 事务回滚

1. 逆向应用 Undo Log：
   • 根据 Undo Log 将数据恢复到修改前的状态。
2. 释放锁：
   • 释放所有锁资源。

三、隔离级别与并发控制

MySQL 支持四种隔离级别（由低到高）：

1. 读未提交（Read Uncommitted）：
   • 可能读到未提交的数据（脏读），无锁或 MVCC 控制。
2. 读已提交（Read Committed）：
   • 通过 MVCC 实现：每次查询生成新 ReadView，避免脏读。
3. 可重复读（Repeatable Read）：
   • 默认隔离级别。事务开始时生成 ReadView，后续查询复用该视图，避免不可重复读。
   • 通过 Next-Key Lock（行锁 + 间隙锁）防止幻读。
4. 串行化（Serializable）：
   • 所有读操作加共享锁，写操作加排他锁，完全串行执行。

四、崩溃恢复

InnoDB 重启时通过以下步骤恢复事务：

1. Redo Log 重放：
   • 根据 Redo Log 恢复未刷盘的脏页（确保已提交事务的持久性）。
2. Undo Log 回滚：
   • 对未提交的事务（TRX_ID 在活跃事务列表中）应用 Undo Log 回滚。

五、关键机制对比

六、示例：MVCC 如何避免脏读

假设事务 A 更新一行数据：

-- 事务 A
BEGIN;
UPDATE users SET balance = 100 WHERE id = 1;  -- 旧值 balance=50

• Undo Log 会记录 balance=50。
• 事务 B 在 Read Committed 隔离级别下读取该行：

  -- 事务 B
  BEGIN;
  SELECT balance FROM users WHERE id = 1;  -- 返回 50（ReadView 看不到事务 A 的未提交修改）
  

• 事务 A 提交后，事务 B 再次查询会生成新 ReadView，看到 balance=100。

总结

MySQL（InnoDB）通过 Redo Log 和 Undo Log 实现原子性与持久性，通过 锁机制 和 MVCC 实现隔离性，最终达成一致性。设计时需根据业务场景选择合适的隔离级别，并关注锁竞争与日志写入性能。