C++面试：事务的隔离级别和实践原理

1. 读未提交（Read Uncommitted）

定义

问题

场景

实践注意事项

MySQL

SQL Server

PostgreSQL

注意

2. 读提交（Read Committed）

定义

问题

场景

如何操作

MySQL

SQL Server

PostgreSQL

注意事项

3. 可重复读（Repeatable Read）

定义

问题

场景

如何操作

MySQL

SQL Server

4. 可串行化（Serializable）

定义

问题

场景

如何操作

MySQL

SQL Server

注意事项

实践原理

1. 读未提交（Read Uncommitted）

2. 读提交（Read Committed）

3. 可重复读（Repeatable Read）

4. 可串行化（Serializable）

总结

1. 读未提交（Read Uncommitted）

2. 读提交（Read Committed）

3. 可重复读（Repeatable Read）

4. 可串行化（Serializable）

实践原理总结

事务的隔离级别是数据库用来定义事务在并发操作中数据可见性和隔离性的方式。SQL标准定义了四个隔离级别，每个级别都能够提供不同程度的隔离，以防止事务之间的三种读问题（脏读、不可重复读、幻读）。下面是四个隔离级别从低到高的详细解释和实践原理。

1. 读未提交（Read Uncommitted）

定义：事务可以读取尚未提交的数据更改，即一个事务可以“看到”其他事务未提交的修改。
问题：可能导致脏读（Dirty Read），即一个事务可能读取到另一个事务未提交的数据。
场景：在需要极高性能且可以容忍脏读的情况下使用。

定义

在读未提交的隔离级别下，一个事务可以读取到其他事务未提交的数据更改。这种级别的主要特征是它不提供任何对并发事务的修改隔离。因此，事务A可以看到事务B所做的修改，即使这些修改还没有被事务B提交。这种行为使得读未提交的隔离级别提供了最低程度的隔离，从而最大化了并发访问数据库的能力。

问题

脏读（Dirty Read）：这是读未提交隔离级别最主要的问题。脏读发生在一个事务读取了另一个事务未提交的数据。如果后续进行的事务被回滚（Rollback），那么第一个事务读取的数据就是不正确的，因为这些数据从未被实际提交到数据库中。

场景

极高性能需求：在某些需要极高性能和高吞吐量的应用中，可能会选择读未提交的隔离级别，因为它几乎不会因为锁竞争或等待而导致性能下降。这种情况下，应用可以接受数据的不一致性。
可以容忍脏读：如果应用逻辑可以容忍脏读，或者应用场景中脏读带来的问题不会对业务结果造成重大影响，那么可以考虑使用读未提交的隔离级别。例如，对于一些实时性要求高但数据准确性要求不是非常严格的监控系统，可能会使用读未提交。

实践注意事项

当选择读未提交级别时，开发者必须意识到其带来的风险，尤其是脏读可能导致的数据不一致性问题。
应用程序的逻辑需要能够处理或忽略因脏读导致的潜在错误或数据不一致。
在实现时，开发者应当考虑到读未提交隔离级别可能对事务的完整性和一致性带来的影响，并评估是否适合业务需求。

MySQL

在MySQL中，你可以通过以下SQL语句设置会话级别的隔离级别为读未提交：

总的来说，读未提交的隔离级别在提供最大并发性的同时牺牲了数据的准确性和一致性。因此，它只适用于那些能够接受这种权衡的特定场景。

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

或者，设置全局级别的隔离级别（影响新创建的连接）：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

SQL Server

在SQL Server中，你可以使用以下命令设置事务隔离级别为读未提交：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;

在执行此命令后，当前会话中的所有事务都将运行在读未提交的隔离级别下，直到隔离级别被更改。

PostgreSQL

PostgreSQL默认不支持设置为读未提交级别，因为其最低级别是读提交（Read Committed）。不过，可以通过设置事务为只读来模拟避免锁的行为：

BEGIN TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED READ ONLY;

注意

在使用上述命令之前，请确保你已经理解了所选隔离级别对数据一致性和系统性能的影响。
设置事务隔离级别应该根据具体的应用场景和数据一致性需求谨慎进行。
不同的数据库管理系统可能有不同的默认隔离级别，以及对隔离级别支持的不同，务必查阅你所使用的数据库系统的官方文档以获取准确信息。

2. 读提交（Read Committed）

定义：事务只能读取已经提交的数据更改。这意味着一个事务在执行过程中看到的数据是一致的，在事务开始时“快照”了数据。
问题：防止了脏读，但是可能会发生不可重复读（Nonrepeatable Read），即在同一个事务内两次读取同一数据集合时可能会看到不同数据。
场景：适用于大多数应用，是许多数据库系统的默认隔离级别。

读提交（Read Committed）是数据库事务隔离的一个常用级别，它确保了一个事务只能读取到其他事务已经提交的数据更改。这个隔离级别解决了脏读问题，但可能会导致不可重复读。

定义

在读提交隔离级别下，一个事务在执行过程中只能看到其他事务已经提交的更改。这意味着，如果一个事务在执行期间，另一个事务提交了对某些数据的修改，那么这些修改在第一个事务的后续操作中就会变得可见。这种级别通常通过在读操作开始时获取数据的“快照”来实现，确保读操作的一致性。

问题

不可重复读（Nonrepeatable Read）：这是读提交隔离级别的主要问题。不可重复读发生在一个事务内，当它尝试两次读取同一数据集合时，由于其他事务的提交，可能会看到不同的数据。

场景

广泛应用：读提交是许多数据库系统的默认隔离级别，因为它在数据一致性和系统性能之间提供了较好的平衡。它适用于大多数应用场景，尤其是那些对性能有要求但同时需要避免脏读的场合。

如何操作

具体设置事务隔离级别的SQL语句取决于你使用的数据库系统。

MySQL

在MySQL中，可以使用以下命令为当前会话设置隔离级别：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

或者，为全局设置隔离级别（影响新的会话）：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

SQL Server

在SQL Server中，设置事务隔离级别为读提交：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

PostgreSQL

PostgreSQL默认使用读提交作为其事务的隔离级别。如果需要明确设置，可以使用：

BEGIN TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;

注意事项

在多数数据库系统中，读提交是默认的隔离级别，但了解如何显式设置它仍然很重要，特别是在需要确保应用在特定隔离级别下运行时。
明确设置事务的隔离级别可以帮助避免应用中潜在的数据一致性问题。
使用读提交隔离级别时，开发者需要意识到不可重复读的可能性，并在必要时通过应用逻辑来处理这种情况。

3. 可重复读（Repeatable Read）

定义：保证在同一个事务中多次读取同一数据的结果是一致的。
问题：虽然解决了不可重复读的问题，但可能会遇到幻读（Phantom Read），即一个事务读取了几行数据，另一个并发事务插入了一些行，当第一个事务再次读取时会“看到”额外的“幻影”行。
场景：适用于需要锁定行以防止不可重复读，但可以接受幻读的情况。

可重复读（Repeatable Read）是一种事务隔离级别，旨在确保在同一个事务中多次读取同一数据集合的结果保持一致，即使在这个事务执行期间其他事务进行了提交操作。

定义

在可重复读隔离级别下，一旦事务开始，它对同一数据集合的多次读取将会看到同样的数据，无论其他事务是否已经提交了对这些数据的更改。这主要通过锁定读取的数据行来实现，防止其他事务进行修改。

问题

幻读（Phantom Read）：尽管可重复读隔离级别能够防止不可重复读，但它可能遇到幻读问题。幻读发生在当一个事务读取了几行数据后，另一个并发事务插入了一些新的行，当第一个事务再次读取同一数据集时，它会看到之前未见过的新行。

场景

行锁定需求：适用于需要锁定行以防止不可重复读的应用场景，但这些场景可以容忍幻读的问题。它是一种比读提交更严格的隔离级别，适用于对数据一致性要求较高的情况。

如何操作

以下是在一些流行的数据库管理系统中设置可重复读隔离级别的方法：

MySQL

MySQL的默认事务隔离级别就是可重复读。如果需要显式设置，可以使用：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

或者，设置全局级别：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

SQL Server

在SQL Server中，可以通过以下命令设置事务隔离级别为可重复读：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

4. 可串行化（Serializable）

定义：最高的隔离级别，通过强制事务串行执行，避免了脏读、不可重复读和幻读问题。
问题：性能开销最大，因为它会锁定事务涉及的数据行。
场景：适用于需要完全避免并发问题的场合，如银行金融系统。

可串行化（Serializable）是数据库事务隔离级别中最高的级别，它通过强制事务以串行的方式执行，从而避免了脏读、不可重复读和幻读等所有并发问题。

定义

在可串行化隔离级别下，每个事务都是在独立的环境中执行，好像系统中在同一时间只执行这一个事务一样。这通过锁定事务访问的数据行，或者使用乐观并发控制机制来实现，从而确保事务的执行结果与如果事务被依次串行执行的结果相同。

问题

性能开销：可串行化隔离级别提供了最高程度的数据一致性保障，但同时也带来了最大的性能开销。这是因为它需要锁定事务访问的数据行，或者采取其他机制来保证事务的串行执行，这会显著减少并发性能。
锁竞争：在高并发环境下，可串行化隔离级别可能导致大量的锁竞争，增加了死锁的风险。

场景

高一致性需求：适用于需要完全避免并发问题，对数据一致性要求极高的场景，如银行金融系统、交易系统等，这些系统不能容忍任何并发引起的数据不一致性问题。

如何操作

下面是在一些流行的数据库管理系统中设置可串行化隔离级别的方法：

MySQL

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

或者，设置全局级别：

SET GLOBAL TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

SQL Server

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

注意事项

使用可串行化隔离级别时，开发者需要特别注意性能和锁竞争问题，确保系统的并发需求和性能目标不会因为高隔离级别而受到影响。
在一些情况下，可能需要通过调整应用逻辑或数据库设计来减少对可串行化隔离级别的依赖，以改善系统的整体性能和并发能力。
由于不同的数据库管理系统可能有不同的实现细节，开发者在设置事务隔离级别时应当参考特定数据库系统的官方文档，以确保正确地应用这些设置。

通过正确地应用可串行化隔离级别，可以在需要时为应用程序提供最高水平的数据一致性保护，但同时也需要仔细管理和调优以避免性能瓶颈。

实践原理

在实践中，数据库通过使用锁机制（如行锁、表锁）、多版本并发控制（MVCC）等技术来实现这些隔离级别：

读未提交：不使用锁，允许读取未提交的数据。
读提交：通常使用锁机制或MVCC来实现，确保只读取到已提交的数据。
可重复读：在读提交的基础上增加锁定或MVCC策略，以确保同一事务中的多次读取结果一致。
可串行化：通过对参与事务的所有数据行加锁或使用序列化操作来防止并发执行。

数据库实现事务隔离级别的实践原理主要依赖于锁机制和多版本并发控制（MVCC）。这两种技术可以确保数据的一致性和隔离性，同时允许数据库系统在维护这些保证的同时，最大化并发操作。下面详细介绍这些技术是如何应用于不同的事务隔离级别的。

1. 读未提交（Read Uncommitted）

实践原理：在读未提交的隔离级别下，事务可以读取其他事务未提交的数据。这种级别不使用数据行锁定来防止其他事务读取未提交的数据，因此允许脏读发生。这是因为系统的设计目标是最大化查询的并发性，牺牲数据的一致性。

2. 读提交（Read Committed）

锁机制：在读提交级别，数据库使用锁机制（如行锁）或MVCC来保证一个事务只能读到其他事务已经提交的数据。在使用锁的系统中，当一个事务正在修改数据时，会对这些数据加锁，直到事务提交，从而防止其他事务读取这些未提交的数据。
MVCC：在使用MVCC的数据库系统中，每次写操作都会创建数据的一个新版本（或快照），而读操作可以访问到事务开始前的最新提交版本，从而保证了在当前事务中只能看到已提交的更改。

3. 可重复读（Repeatable Read）

锁机制：为了实现可重复读，数据库在读提交的基础上进一步增加了锁定策略。这通常意味着在事务开始时锁定读取的所有数据行，直到事务结束。这阻止了其他事务对这些行进行修改，保证了事务内的读取结果一致性。
MVCC：在MVCC系统中，事务会看到在它开始时或之前已经提交的数据的一个稳定视图（snapshot）。这意味着即使其他事务在这期间提交了新的更改，这些更改也不会反映在当前事务的查询结果中，从而避免了不可重复读。

4. 可串行化（Serializable）

锁机制：在最高的隔离级别可串行化中，数据库通过锁定事务涉及的所有数据行来实现。这种级别通常要求事务在执行读取或修改之前对相关数据行加锁，并持有这些锁直到事务结束。这样做虽然可以防止脏读、不可重复读和幻读，但会大大减少并发性能，增加死锁的可能性。
序列化操作：另一种实现可串行化隔离级别的方法是使用序列化操作，它通过一种算法来确定事务的执行顺序，确保事务的执行结果与按某一序列顺序串行执行这些事务的结果相同。这种方法在不同的数据库系统中实现不同，有些系统可能通过MVCC加上特定的锁策略或其他机制来实现。

总结

数据库在实现事务隔离级别时需要在数据一致性、系统性能和并发性之间做出平衡。锁机制提供了直接的数据保护，但可能影响并发性；而MVCC通过允许并发的读和写操作，提供了更高的并发性，但实现相对复杂。不同的数据库系统可能会选择不同的策略来实现这些隔离级别，具体取决于系统的设计目标和工作负载的特点。

总结

数据库事务隔离级别是数据库管理系统（DBMS）中用于控制事务程序之间并发访问数据时可能发生的问题的一组定义。这些隔离级别提供了不同程度的隔离，以防止事务之间的干扰，如脏读、不可重复读和幻读等问题。以下是四种标准的SQL事务隔离级别的总结，包括它们的定义、问题、适用场景以及数据库实现这些隔离级别的实践原理。

1. 读未提交（Read Uncommitted）

定义：允许事务读取其他事务未提交的数据，是隔离级别中最低的级别。
问题：可能导致脏读。
场景：适用于对一致性要求不高，追求极高性能的场景。
实践原理：不使用锁，允许最大程度的并发，但牺牲数据一致性。

2. 读提交（Read Committed）

定义：事务只能读取已经提交的数据更改，是许多数据库系统的默认隔离级别。
问题：可能发生不可重复读。
场景：适用于大多数应用，平衡了一致性和性能。
实践原理：使用锁机制或MVCC，确保只读取到已提交的数据。

3. 可重复读（Repeatable Read）

定义：保证在同一个事务中多次读取同一数据的结果是一致的。
问题：可能遇到幻读。
场景：适用于需要锁定行以防止不可重复读的情况。
实践原理：增加锁定或MVCC策略，以确保事务中的多次读取结果一致。

4. 可串行化（Serializable）

定义：最高的隔离级别，通过强制事务串行执行，避免了所有并发问题。
问题：性能开销最大，因为它会锁定事务涉及的数据行。
场景：适用于需要完全避免并发问题的场合，如银行金融系统。
实践原理：通过对参与事务的所有数据行加锁或使用序列化操作来防止并发执行。

实践原理总结

数据库通过使用锁机制（如行锁、表锁）和多版本并发控制（MVCC）等技术来实现这些隔离级别。读未提交不使用锁，允许最大程度的并发；读提交使用锁机制或MVCC来确保只读取到已提交的数据；可重复读在读提交的基础上增加锁定或MVCC策略，以确保事务中的多次读取结果一致；可串行化通过对参与事务的所有数据行加锁或使用序列化操作来防止并发执行，提供了最高水平的数据一致性保护，但同时也需要仔细管理和调优以避免性能瓶颈。