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仅此一文让你明白事务隔离级别、脏读、不可重复读、幻读

luoriw 2024-04-04 12:47:19 后端开发 8 ℃ 0 评论

事务是现代关系型数据库的核心之一。在多个事务并发操作数据库(多线程、网络并发等)的时候,如果没有有效的避免机制,就会出现以下几种问题:

第一类丢失更新(Lost Update)

在完全未隔离事务的情况下,两个事务更新同一条数据资源,某一事务完成,另一事务异常终止,回滚造成第一个完成的更新也同时丢失 。这个问题现代关系型数据库已经不会发生,就不在这里占用篇幅,有兴趣的可以自行百度。

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脏读(Dirty Read)

A事务执行过程中,B事务读取了A事务的修改。但是由于某些原因,A事务可能没有完成提交,发生RollBack了操作,则B事务所读取的数据就会是不正确的。这个未提交数据就是脏读(Dirty Read)。脏读产生的流程如下:

可以用EF Core模拟此过程:

class TestReadUncommitted :TestBase
 {
 private AutoResetEvent _autoResetEvent;
 [Test]
 public void ReadUncommitted()
 {
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"初始用户状态:【{user.Status}】");
 }
 _autoResetEvent = new AutoResetEvent(false);
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data =>{
 Write(); //启动线程写
 });
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data =>{
 Read(); //启动线程读
 });
 Thread.Sleep(5000);
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"最终用户状态:【{user.Status}】");
 }
 }
 private void Read()
 {
 _autoResetEvent.WaitOne();
 var options = new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadUncommitted };
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required, options))
 {
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:脏读到的用户状态:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 //如果这时执行下面的判断
 if (user.Status == 1)
 {
 Console.WriteLine("事务B:非正常数据,会产生意想不到的BUG");
 }
 }
 }
 }
 private void Write()
 {
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions {IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted}))
 {
 Console.WriteLine($"事务A:修改--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 user.Status = 1-user.Status; //模拟修改
 context.SaveChanges();
 }
 _autoResetEvent.Set(); //模拟多线程切换,这时切换到Read线程,复现脏读
 Thread.Sleep(2000); //模拟长事务
 Console.WriteLine($"事务A:改完,但没提交--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 }
脏读示例

对应的执行结果:

不可重复读(Nonrepeatable Read)

B事务读取了两次数据,在这两次的读取过程中A事务修改了数据,B事务的这两次读取出来的数据不一样。B事务这种读取的结果,即为不可重复读(Nonrepeatable Read)。不可重复读的产生的流程如下:

模拟代码如下:

public class TestReadCommitted : TestBase
 {
 private AutoResetEvent _toWriteEvent = new AutoResetEvent(false);
 private AutoResetEvent _toReadEvent = new AutoResetEvent(false);
 [Test]
 public void ReadCommitted()
 {
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Read(); //启动线程读
 });
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Write(); //启动线程写
 });
 Thread.Sleep(5000);
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"最终用户状态:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 private void Read()
 {
 using (var transactionScope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted }))
 {
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第一次读取:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 _toWriteEvent.Set(); //模拟多线程切换,这时切换到写线程,复现不可重复读
 _toReadEvent.WaitOne();
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第二次读取:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 }
 private void Write()
 {
 _toWriteEvent.WaitOne();
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted }))
 {
 User user = null;
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务A:读取为【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 user.Status = 1 - user.Status;
 context.SaveChanges();
 }
 scope.Complete();
 Console.WriteLine($"事务A:已被更改为【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 _toReadEvent.Set();
 }
 }
 }
不可重复读示例

对应的执行结果:

不可重复读有一种特殊情况,两个事务更新同一条数据资源,后完成的事务会造成先完成的事务更新丢失。这种情况就是大名鼎鼎的第二类丢失更新。主流的数据库已经默认屏蔽了第一类丢失更新问题(即:后做的事务撤销,发生回滚造成已完成事务的更新丢失),但我们编程的时候仍需要特别注意第二类丢失更新。它产生的流程如下:

模拟代码如下:

public class TestReadCommitted2 : TestBase
 {
 private AutoResetEvent _toWriteEvent = new AutoResetEvent(false);
 private AutoResetEvent _toReadEvent = new AutoResetEvent(false);
 [Test]
 public void ReadCommitted()
 {
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Read(); //启动线程读
 });
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Write(); //启动线程写
 });
 Thread.Sleep(5000);
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"最终用户状态:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 private void Read()
 {
 using (var transactionScope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted }))
 {
 User user = null;
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第一次读取:【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 _toWriteEvent.Set(); //模拟多线程切换,这时切换到写线程,复现不可重复读
 _toReadEvent.WaitOne();
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第二次读取:【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 user.Status = 1 - user.Status;
 context.SaveChanges();
 }
 transactionScope.Complete();
 Console.WriteLine($"事务B:已被更改为【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 private void Write()
 {
 _toWriteEvent.WaitOne();
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted }))
 {
 User user = null;
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务A:读取为【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 user.Status = 1 - user.Status;
 context.SaveChanges();
 }
 scope.Complete();
 Console.WriteLine($"事务A:已被更改为【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 _toReadEvent.Set();
 }
 }
 }
第二类更新丢失示例

对应的执行结果如下图:

可以明显看出事务A的更新被事务B所覆盖,更新丢失。

幻读(Phantom Read)

B事务读取了两次数据,在这两次的读取过程中A事务添加了数据,B事务的这两次读取出来的集合不一样。幻读产生的流程如下:

这个流程看起来和不可重复读差不多,但幻读强调的集合的增减,而不是单独一条数据的修改。

模拟代码如下:

public class TestRepeat : TestBase
 {
 private AutoResetEvent _toWriteEvent = new AutoResetEvent(false);
 private AutoResetEvent _toReadEvent = new AutoResetEvent(false);
 [Test]
 public void Repeat()
 {
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Read(); //启动线程读
 });
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Write(); //启动线程写
 });
 Thread.Sleep(6000);
 }
 private void Read()
 {
 using (var transactionScope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.RepeatableRead }))
 {
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 Console.WriteLine($"事务B:第一次读取:【{context.Users.Count()}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 _toWriteEvent.Set(); //模拟多线程切换,这时切换到写线程,复现幻读
 _toReadEvent.WaitOne();
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 Console.WriteLine($"事务B:第二次读取:【{context.Users.Count()}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 }
 private void Write()
 {
 _toWriteEvent.WaitOne();
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted }))
 {
 Console.WriteLine($"事务A:新增一条--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var id = GenerateId.ShortStr();
 context.Users.Add(new User { Id = id, Account = id, Status = 0, Name = id, CreateTime = DateTime.Now});
 context.SaveChanges();
 }
 scope.Complete();
 Console.WriteLine($"事务A:完成新增--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 _toReadEvent.Set();
 }
 }
 }
幻读示例

执行结果:

数据库隔离级别

为了解决上面提及的并发问题,主流关系型数据库都会提供四种事务隔离级别。

读未提交(Read Uncommitted)

在该隔离级别,所有事务都可以看到其他未提交事务的执行结果。本隔离级别是最低的隔离级别,虽然拥有超高的并发处理能力及很低的系统开销,但很少用于实际应用。因为采用这种隔离级别只能防止第一类更新丢失问题,不能解决脏读,不可重复读及幻读问题。

读已提交(Read Committed)

这是大多数数据库系统的默认隔离级别(但不是MySQL默认的)。它满足了隔离的简单定义:一个事务只能看见已经提交事务所做的改变。这种隔离级别可以防止脏读问题,但会出现不可重复读及幻读问题。

可重复读(Repeatable Read)

这是MySQL的默认事务隔离级别,它确保同一事务的多个实例在并发读取数据时,会看到同样的数据行。这种隔离级别可以防止除幻读外的其他问题。

可串行化(Serializable)

这是最高的隔离级别,它通过强制事务排序,使之不可能相互冲突,从而解决幻读、第二类更新丢失问题。在这个级别,可以解决上面提到的所有并发问题,但可能导致大量的超时现象和锁竞争,通常数据库不会用这个隔离级别,我们需要其他的机制来解决这些问题:乐观锁和悲观锁。

这四种隔离级别会产生的问题如下(网上到处都有,懒得画了):

如何使用数据库的隔离级别

很多文章博客在介绍完这些隔离级别以后,就没有以后了。读的人一般会觉得,嗯,是这么回事,我知道了!

学习一个知识点,是需要实践的。比如下面这个常见而又异常严重的情况:

图中是典型的第二类丢失更新问题,后果异常严重。我们这里就以读已提交(Read Committed)及以下隔离级别中会出现不可重复读现象为例。从上面的表格可以看出,当事务隔离级别为可重复读(Repeatable Read)时可以避免。把TestReadCommitted中的Read线程事务级别调整一下:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
// file:	Test\TestReadCommitted.cs
//
// summary:	读已提交会出现“不可重复读”现象
// 把读线程(事务B)的隔离级别调整到RepeatableRead,即可杜绝
////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
using System;
using System.Linq;
using System.Threading;
using System.Transactions;
using Microsoft.EntityFrameworkCore;
using Microsoft.Extensions.DependencyInjection;
using NUnit.Framework;
using TestTransaction.Domain;
namespace TestTransaction.Test
{
 public class TestReadCommitted : TestBase
 {
 private AutoResetEvent _toWriteEvent = new AutoResetEvent(false);
 private AutoResetEvent _toReadEvent = new AutoResetEvent(false);
 [Test]
 public void ReadCommitted()
 {
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Read(); //启动线程读
 });
 ThreadPool.QueueUserWorkItem(data => {
 Write(); //启动线程写
 });
 Thread.Sleep(60000);
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"最终用户状态:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 private void Read()
 {
 //读线程(事务B)的隔离级别调整到RepeatableRead
 using (var transactionScope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.RepeatableRead, Timeout = TimeSpan.FromSeconds(40) }))
 {
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第一次读取:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 _toWriteEvent.Set(); //模拟多线程切换,这时切换到写线程,复现不可重复读
 _toReadEvent.WaitOne();
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 var user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务B:第二次读取:【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 }
 private void Write()
 {
 _toWriteEvent.WaitOne();
 using (var scope = new TransactionScope(TransactionScopeOption.Required,
 new TransactionOptions { IsolationLevel = IsolationLevel.ReadCommitted, Timeout = TimeSpan.FromSeconds(5) }))
 {
 User user = null;
 using (var context = _autofacServiceProvider.GetService<OpenAuthDBContext>())
 {
 user = context.Users.SingleOrDefault(u => u.Account == "admin");
 Console.WriteLine($"事务A:读取为【{user?.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 user.Status = 1 - user.Status;
 try
 {
 context.SaveChanges();
 scope.Complete();
 Console.WriteLine($"事务A:已被更改为【{user.Status}】--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 catch (DbUpdateException e)
 {
 Console.WriteLine($"事务A:异常,为了保证可重复读,你的修改提交失败,请稍后重试--{DateTime.Now.ToString("HH:mm:ss fff")}");
 }
 }
 _toReadEvent.Set();
 }
 }
 }
}

这时执行效果如下:

实际项目中,通过提示客户端重做的方式,完美解决了不可重复读的问题。其他并发问题,也可以通过类似的方式解决

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