Shuffy

作者 James Leigh 譯者 曹如進(jìn) 發(fā)布于 2009年11月11日 上午2時(shí)18分

ACID性質(zhì)是數(shù)據(jù)庫理論中的奠基石，它定義了一個(gè)理論上可靠數(shù)據(jù)庫所必須具備的四個(gè)性質(zhì)：原子性，一致性，隔離性和持久性。雖然這四個(gè)性質(zhì)都很重要，但是隔離性最為靈活。大部分?jǐn)?shù)據(jù)庫都提供了一些可供選擇的隔離級(jí)別，且現(xiàn)在許多庫都增加了附加層來創(chuàng)建顆粒度更細(xì)的隔離。隔離級(jí)別應(yīng)用范圍如此之廣主要是因?yàn)榉艑捀綦x約束往往會(huì)使得可擴(kuò)展性和性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

串行一致性是可用的最古老最高的隔離級(jí)別之一，它之所以倍受青睞是因?yàn)槠涮峁┑暮唵尉幊棠Ｐ停疵看蝺H能有一個(gè)事務(wù)對(duì)給定的資源進(jìn)行操作，這就避免了很多潛在的資源問題。盡管如此，大部分應(yīng)用程序（尤其是Web應(yīng)用程序）都不采用這種級(jí)別非常高的隔離，因?yàn)閺慕K端用戶的角度來看這是不切實(shí)際的-任何一個(gè)擁有大量用戶群的應(yīng)用程序在訪問共享資源時(shí)都將會(huì)有幾分鐘的延遲，而這會(huì)使得用戶量迅速減少。弱一致性和最終一致性在大規(guī)模分布式數(shù)據(jù)源中，例如Web中，隨處可見。好幾個(gè)成功的大型Web應(yīng)用（例如，eBay和Amazon）都顯示出樂觀的（optimistic）弱一致性要比傳統(tǒng)悲觀的（pessimistic）機(jī)制在擴(kuò)展性方面好得多。本文將一窺八種不同的隔離級(jí)別。學(xué)會(huì)適當(dāng)?shù)姆艑挃?shù)據(jù)一致性的約束，你可以在自己的應(yīng)用程序中使用這八種隔離級(jí)別來獲得更好的性能和可擴(kuò)展性。

并發(fā)控制的主要目標(biāo)是為了確保事務(wù)被隔離且不會(huì)影響到其他事務(wù)。要達(dá)到高級(jí)別的隔離需以犧牲性能為代價(jià)。并發(fā)控制可以用悲觀或者樂觀的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。大部分關(guān)系型數(shù)據(jù)庫都使用了悲觀機(jī)制來實(shí)現(xiàn)寫入優(yōu)化。悲觀機(jī)制采用了鎖，通過使用鎖它可以阻塞一些操作或者進(jìn)行某些形式的沖突檢測(cè)。當(dāng)一個(gè)表格，頁面或是行被修改后，悲觀機(jī)制中的鎖可以用來阻塞其他潛在的訪問修改資源的事務(wù)。然而，樂觀機(jī)制并不采用任何鎖，它僅僅依賴于沖突檢測(cè)來維護(hù)事務(wù)隔離。樂觀機(jī)制采用的沖突檢測(cè)可以允許所有的讀操作，并在事務(wù)結(jié)束時(shí)檢驗(yàn)其一致性。如果檢測(cè)到?jīng)_突，那么事務(wù)會(huì)進(jìn)行回滾或重做。大部分web服務(wù)器都是讀入優(yōu)化，因此使用了樂觀機(jī)制。通過允許所有的讀入操作，樂觀機(jī)制既可以保證很高的讀寫吞吐量，也可以在資源不是一直改變的情況下保證數(shù)據(jù)的一致性。

下面列出的隔離級(jí)別是用來幫助Web開發(fā)人員更好的理解他們編程模型中放置的約束，幫助系統(tǒng)架構(gòu)師和開發(fā)人員共同討論如何在保持必要的數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)選擇最有效的隔離級(jí)別。它們按照最少隔離（未提交讀）到最多隔離（串行化）的順序列出。

1、未提交讀（Read Uncommitted）

未提交讀隔離級(jí)別需要事務(wù)間很少的隔離。每一個(gè)讀操作都能看到事務(wù)中等待的寫操作（臟讀）。然而已經(jīng)提交的寫操作必須要有一個(gè)串行順序來防止臟寫。悲觀機(jī)制會(huì)阻塞有沖突的寫操作直到其他寫操作已經(jīng)被提交或已經(jīng)回滾。樂觀機(jī)制不會(huì)鎖住這些操作，它會(huì)允許所有的操作都通過。如果一個(gè)連接進(jìn)行了回滾，那么接下來修改同一塊數(shù)據(jù)的其他操作也會(huì)被回滾。在這種級(jí)別中，共享緩沖可以不加驗(yàn)證的進(jìn)行使用。這種隔離級(jí)別最好在不需要事務(wù)（比如只讀的數(shù)據(jù)集），或者事務(wù)只在獨(dú)占數(shù)據(jù)庫時(shí)才修改的情況下使用。

例子：一個(gè)只在離線情況下更新的檔案數(shù)據(jù)庫，或者不在事務(wù)中使用的審核/登陸（audit/logging）表。

2、已提交讀（Read Committed）

已提交讀可以讀取系統(tǒng)中任何已經(jīng)提交的狀態(tài)，并且可以不加驗(yàn)證（混合狀態(tài)）的進(jìn)行緩沖，只需當(dāng)前連接中發(fā)生的改變能夠反映到結(jié)果中即可。悲觀機(jī)制將其實(shí)現(xiàn)為單調(diào)視圖。樂觀事務(wù)則隔離存儲(chǔ)所有的改動(dòng)，使得它們直到提交后才可用。讀已提交使用一個(gè)非常樂觀的機(jī)制，它推遲寫入所有的變化直到事務(wù)被提交為止。這種形式的樂觀隔離可以在不阻塞讀操作的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的寫入操作，并且它沒有驗(yàn)證模式。共享緩沖只能在已提交的狀態(tài)中使用。這種隔離級(jí)別最好在結(jié)果可以使用舊值，且事務(wù)只能用于寫入操作的情況下使用。

例子：一個(gè)不必顯示當(dāng)前最新帖子的在線論壇，且它的帖子間數(shù)據(jù)不相沖突。

3、單調(diào)視圖（Monotonic View ）

單調(diào)視圖是對(duì)讀已提交的一個(gè)擴(kuò)展，它其中的事務(wù)在執(zhí)行時(shí)會(huì)觀察數(shù)據(jù)庫中一個(gè)單調(diào)上升的狀態(tài)。在這種級(jí)別中，如果有明顯的寫入事務(wù)，那么悲觀事務(wù)會(huì)在讀入操作中被阻塞。樂觀事務(wù)會(huì)像在讀已提交中一樣操作，隔離保存所有的改動(dòng)，并且會(huì)驗(yàn)證它們的緩沖以確保其仍然合法。這種級(jí)別可以定期地同步數(shù)據(jù)庫副本，且最好在不需要事務(wù)或者僅存在寫操作事務(wù)的情況下使用。

例子：一個(gè)僅能由一個(gè)人來修改的用戶偏好表。

4、快照讀取（Snapshot Reads）

快照讀取擴(kuò)展了單調(diào)視圖，它可以保證查詢結(jié)果都能反映到數(shù)據(jù)庫一致的快照中。悲觀機(jī)制會(huì)在讀操作時(shí)阻礙其他影響結(jié)果的寫入操作。樂觀機(jī)制則允許其他的寫入操作，并通知讀取事務(wù)某部分已經(jīng)發(fā)生改變并進(jìn)行回滾。想要實(shí)現(xiàn)一個(gè)樂觀機(jī)制，必須在讀操作結(jié)束之前驗(yàn)證是否有什么并行的寫入操作修改了結(jié)果，如果有的話，那么結(jié)果可能會(huì)重做或回滾。這個(gè)檢驗(yàn)過程可能只是簡單的檢查同一張表中是否出現(xiàn)了寫入操作，或者只是檢查改動(dòng)的查詢結(jié)果。樂觀隔離級(jí)別可以很輕松地檢測(cè)出沖突，并且在允許并發(fā)讀入操作的過程中，支持寫入操作。這種級(jí)別只要能夠讀取到快照，便可以定期地同步數(shù)據(jù)庫副本。最好在寫入操作很少，不想與讀入操作沖突，且查詢結(jié)果需要一致性的時(shí)候使用這種隔離級(jí)別。

例子：：一個(gè)查詢比修改頻繁，且只保留最新值的貨幣換位表或者查詢表。

5、游標(biāo)穩(wěn)定性（Cursor Stability）

游標(biāo)穩(wěn)定性隔離擴(kuò)展了讀已提交，并且是許多關(guān)系型數(shù)據(jù)默認(rèn)的隔離級(jí)別。在這種隔離級(jí)別中，悲觀事務(wù)如果在一個(gè)單獨(dú)的語句中執(zhí)行的話，必須得指定它將修改的記錄。這通常可以在"SELECT"查詢后附加“FOR UPDATE”關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，其他沖突的讀寫悲觀事務(wù)都將被阻塞直到該事務(wù)結(jié)束為止。樂觀事務(wù)會(huì)跟蹤提交時(shí)被驗(yàn)證的所有修改記錄/實(shí)體的版本號(hào)。這是一種很流行的樂觀隔離級(jí)別，因此被所有的主流對(duì)象關(guān)系映射庫支持。在Java持久性API中，可以使用FLUSH_ON_COMMIT（盡管查詢可能不影響本地改動(dòng)）來接近達(dá)到這種級(jí)別，且如果檢測(cè)到?jīng)_突的話，可以拋出OptimisticLockException 異常。這種隔離也同樣可以用在HTTP頭域的If-Match或者 If-Unmodified-Since中，它可以用來在更新前對(duì)比上一個(gè)資源的版本或者時(shí)間戳。這種級(jí)別最好在實(shí)體由外部信息（不從數(shù)據(jù)庫中讀取）更改，或者改動(dòng)不會(huì)彼此覆蓋的情況下使用。

例子：一個(gè)共享的公司目錄或者一個(gè)wiki。

6、可重復(fù)讀取（Repeatable Read）

可重復(fù)讀取級(jí)別擴(kuò)展了游標(biāo)穩(wěn)定性，它保證事務(wù)內(nèi)的任何數(shù)據(jù)在事務(wù)過程中都不會(huì)被修改或者移除。悲觀事務(wù)需要讀取所有記錄上的鎖，并阻塞其他服務(wù)來修改這些記錄。樂觀事務(wù)則會(huì)跟蹤所有的記錄或者實(shí)體，并檢查它們是否在提交時(shí)被修改過。這種級(jí)別最好在實(shí)體狀態(tài)能夠影響其他實(shí)體，或者事務(wù)由讀寫操作構(gòu)成的情況下使用。

例子：一個(gè)訂單跟蹤數(shù)據(jù)庫，它從一個(gè)實(shí)體中讀取值并用它來計(jì)算其他的實(shí)體值。

7、快照隔離（Snapshot Isolation）

快照隔離擴(kuò)展了快照讀取和可重復(fù)讀取，它保證事務(wù)中所有進(jìn)行的讀操作都能看到數(shù)據(jù)庫中一致的快照。事務(wù)執(zhí)行的的任何讀操作都會(huì)有相同的結(jié)果，而不管它們?cè)谑聞?wù)中執(zhí)行的早晚。這和可重復(fù)讀取不同，因?yàn)榭煺崭綦x能夠防止幻讀（查詢結(jié)果不斷變化）。許多關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用多版本并發(fā)控制（也可以叫做 SERIALIZABLE）來支持這種級(jí)別，實(shí)現(xiàn)方法是通過鎖和沖突檢測(cè)的組合。在這種級(jí)別中，考慮到它可能與悲觀機(jī)制或者樂觀機(jī)制相沖突，因此事務(wù)一定要做好回滾的準(zhǔn)備。悲觀機(jī)制會(huì)通過鎖住資源來嘗試減少?zèng)_突的機(jī)會(huì)，但是必須在事務(wù)提交后將這些改動(dòng)合并。樂觀機(jī)制也會(huì)使用多版本并發(fā)控制，但是它不會(huì)阻塞其他可能產(chǎn)生潛在沖突操作的事務(wù)，反而是將沖突的事務(wù)進(jìn)行回滾。這種級(jí)別的隔離最好在事務(wù)可以讀取和修改多個(gè)記錄的情況下使用。

例子：一個(gè)基于系統(tǒng)狀態(tài)規(guī)則的工作流系統(tǒng)。

8、可串行性（Serializability）

串行性是快照隔離的擴(kuò)展，它要求所有的事務(wù)都必須一個(gè)接著一個(gè)的出現(xiàn)，就好比它們被串行化過一樣。悲觀機(jī)制需要鎖住所有評(píng)估過的查詢，以防止寫入操作影響這些結(jié)果。而樂觀機(jī)制則跟蹤所有評(píng)估過的查詢，并在事務(wù)結(jié)束時(shí)使用一個(gè)后向驗(yàn)證或前向驗(yàn)證的模式來檢查是否有并行寫入操作影響了并行讀入操作，如果有的話，它會(huì)將沖突事務(wù)外的所有事務(wù)進(jìn)行回滾。在這種隔離級(jí)別中，任何提交事務(wù)都不會(huì)改變系統(tǒng)的表征狀態(tài)。最好在需要完整數(shù)據(jù)一致性的情況下使用這個(gè)級(jí)別的隔離。

例子：一個(gè)進(jìn)行范圍查詢來計(jì)算新值的賬目系統(tǒng)。

總結(jié)

下面是本文提到的隔離級(jí)別的匯總表，它可以幫助你找到最適合你應(yīng)用程序的級(jí)別。

事務(wù)在不同隔離級(jí)別中可能的沖突類型：

不同隔離級(jí)別的最佳前提：

數(shù)據(jù)一致性在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序中至關(guān)重要-它允許開發(fā)者在分布式環(huán)境下使用數(shù)據(jù)。盡管強(qiáng)一致性級(jí)別如可串行性提供了一個(gè)簡單的編程模型，但是它們會(huì)導(dǎo)致開銷 過大，操作阻塞或者事務(wù)回滾，這對(duì)于很多應(yīng)用程序來說都是不必要的。如果有其他問題的話，可以使用更加適當(dāng)?shù)母綦x級(jí)別來幫助開發(fā)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師，讓他們 在保持性能和開銷平衡的前提下更好的理解數(shù)據(jù)一致性的需求。

查看英文原文：Eight Isolation Levels Every Web Developer Should Know。