• 深入理解数据库事务:确保数据完整性与一致性


    前言

    在现代信息系统中,数据是至关重要的资产之一。作为一名后端开发人员,与数据库的交道必不可少,为了确保数据的完整性、一致性和可靠性,数据库引入了事务的概念。本次将带您深入了解数据库事务的重要性、特性以及如何在应用程序中正确地使用事务来维护数据的稳定性。

    什么是数据库事务?

    数据库事务是一组数据库操作的集合,这些操作要么全部成功执行,要么全部失败回滚。事务是数据库管理系统(DBMS)中的核心概念,用于确保数据在并发访问和操作时的一致性和完整性。

    ACID 特性

    事务通常遵循 ACID 特性,这是指:

    • 原子性(Atomicity):事务中的操作要么全部成功,要么全部失败。如果任何操作失败,整个事务都会回滚,保持数据的一致性。

    假设您正在购物超市,您选择了一些商品放入购物篮。原子性就像是您在结账时,要么所有商品都被正确地扫描和计算,要么没有商品被结账,就像是所有商品一起被称为一个“原子”单位。

    • 一致性(Consistency):事务将数据库从一个合法状态转换为另一个合法状态,不会违反数据完整性约束。

    在购物过程中,超市会检查您购物篮中的商品是否与价格一致,以确保不会因为错误标价而导致不一致的情况。一致性就像是超市保持商品和价格一致,您购买的商品总是符合预期。

    • 隔离性(Isolation):并发执行的事务相互隔离,一个事务的操作不会影响其他事务,直到事务提交才对其他事务可见。

    想象您和朋友同时在超市购物,但您的购物篮和朋友的购物篮是分开的,互不干扰。这就是隔离性,不同的购物篮(事务)在彼此之间是隔离的,不会相互干扰

    • 持久性(Durability):一旦事务提交,其对数据库的更改将永久保存,即使系统崩溃也不会丢失。

    假设您购买了商品并完成了结账,超市会将您购买的记录存档,以备将来查询。即使您离开超市,您的购买记录仍然被保留,就像是您的购物信息被“持久”存储

    事务的基本操作

    一个典型的事务通常包括以下步骤:

    1. 开始事务(BEGIN):事务开始前,DBMS 记录当前状态以备后用。

    2. 执行操作(Perform Operations):在事务内执行数据库操作,如插入、更新、删除等。

    3. 提交事务(COMMIT):如果事务内的所有操作都成功完成,可以将事务提交,将更改永久保存到数据库中。

    4. 回滚事务(ROLLBACK):如果在事务执行期间发生错误,可以回滚事务,撤消之前的操作,将数据库恢复到事务开始前的状态。

    事务的隔离级别

    事务隔离级别控制了事务之间的可见性和并发行为。常见的隔离级别包括:

    • 读未提交(Read Uncommitted):在这个隔离级别下,一个事务可以读取其他事务尚未提交的数据。这可能导致脏读(读取了未提交的数据)、不可重复读(同一查询在事务执行期间返回不同结果)和幻读(事务在同一查询中看到不同的数据行)等问题。读未提交的隔离级别最不严格,可能会引发数据不一致问题

    • 读已提交(Read Committed):在这个隔离级别下,一个事务只能读取已经提交的数据,避免了脏读问题。但是,不可重复读和幻读问题仍然可能出现。因为其他事务可能在事务进行期间提交新的数据,导致不同时间点的查询结果不一致。

    • 可重复读(Repeatable Read):可重复读隔离级别确保在同一事务内,同一个查询的结果保持一致。这意味着一个事务中的查询不会受到其他事务的修改影响。这可以防止脏读和不可重复读问题,但幻读问题仍然可能出现,因为其他事务可能插入新数据,导致新数据行的出现。

    • 串行化(Serializable):串行化是最严格的隔离级别,它确保每个事务都在独立的时间段内执行,防止了并发问题。事务按照顺序一个接一个地执行,这可以解决脏读、不可重复读和幻读问题。然而,串行化可能会对性能产生较大的影响,因为事务需要依次执行。


    上面说到事务的隔离级别可以解决脏读、幻读、不可重复读的问题。那么什么是脏读、幻读、和不可重复读呢?

    • 脏读(Dirty Read)
      脏读指的是在一个事务中读取了另一个事务未提交的数据。假设事务 A 修改了某一行数据,但还没有提交。同时,事务 B 尝试读取了事务 A 修改的数据。如果事务 A 最终回滚了,那么事务 B 读取的数据就是不存在的,这就是脏读。脏读会导致不准确的数据展示,因为读取的数据可能是临时的、未经验证的。

    想象你正在制作一个蛋糕,但在制作过程中,你的朋友看了一眼,然后走了。在他离开之前,你还没有完成蛋糕,但他已经看到了不完整的状态。这就好像是一个“脏读”:朋友读取了还没有完成的信息,结果可能是不准确或临时的。

    • 不可重复读(Non-repeatable Read)
      不可重复读是指在同一个事务内,多次读取同一数据时,得到不同的结果。这可能是因为在事务执行期间,其他事务修改了数据。例如,事务 A 在读取某一行数据后,事务 B 修改了这行数据,并提交了。现在事务 A 再次读取相同的数据,发现数据已经不同了,造成了不一致的现象。

    假设你正在读一本小说,当你读到一部分内容时,有人偷偷地在书的后面添加了一些新章节。如果你再次阅读同一部分,你会发现内容已经改变了,因为有新的内容被添加进来。这就像是“不可重复读”:同样的数据在短时间内发生了变化,导致你得到了不同的结果。

    • 幻读(Phantom Read)
      幻读是指在同一个事务内,多次查询同一范围的数据时,得到不同的结果。这与不可重复读类似,但幻读关注的是数据的数量变化。例如,事务 A 在查询某个范围内的所有数据时,事务 B 插入了新数据,并提交了。现在事务 A 再次查询同一范围的数据,发现数据行的数量增加了,这就是幻读。

    想象你正在草地上采摘草莓,你数了一下有多少个成熟的草莓。然后你去拿一个篮子,当你回来时,发现有一些新的草莓从草丛里冒出来,导致总数增加了。这就是“幻读”:同一范围内的数据在短时间内发生了变化,导致数量发生了变化。

    事务的传播行为

    事务的传播行为是指在多个事务边界交互时,一个事务如何与另一个事务进行交互和传播。传播行为定义了事务的范围、边界和嵌套关系,以确保事务的一致性和正确性。以下是几种常见的事务传播行为:

    • PROPAGATION_REQUIRED(需要事务)
      这是默认的传播行为。如果当前没有事务,就创建一个新事务;如果已经存在事务,就加入该事务。这意味着如果方法被调用时没有事务,则会创建一个新事务。如果方法已经在事务中,则方法将使用已经存在的事务。这样做可以保证事务嵌套。

    这就像您和朋友在一起制作一张拼图。如果朋友已经在拼图上工作(存在事务),您会加入他的工作。如果没有人在拼图,您会创建一个新的拼图,然后加入制作过程。这样,无论之前是否有拼图,您都可以保证最终拼图是一张完整的。

    • PROPAGATION_REQUIRES_NEW(需要新事务)
      无论当前是否存在事务,都会创建一个新的事务。如果方法已经在事务中,则当前事务会被挂起,新事务将创建。这样做可以在方法执行期间独立于外部事务创建一个新的事务,确保完全隔离。

    这就像您与朋友们一起在不同的活动中度过周末。无论朋友们在做什么活动(存在事务),您都决定自己尝试一项新活动,不受其他人的影响。您可以全身心地投入新的活动,不必担心与其他活动的冲突。

    • PROPAGATION_NESTED(嵌套事务)
      如果当前存在事务,则在该事务内嵌套一个新事务。如果没有事务,则行为类似于 PROPAGATION_REQUIRED。嵌套事务可以回滚到嵌套点,而不会影响外部事务。这样可以实现更细粒度的事务管理。

    想象您和家人一起做一个家庭项目,同时每个家庭成员也在做各自的小项目。您的小项目被嵌套在整个家庭项目中。您的项目可以独立完成,但仍然受到家庭项目的影响。如果家庭项目失败,您的项目也会受到影响。

    • PROPAGATION_SUPPORTS(支持事务)
      如果当前存在事务,则加入该事务;如果没有事务,则以非事务方式执行。这意味着方法将根据调用方的上下文来决定是否执行在事务中。

    这就像您加入一个跳绳团队的训练。如果其他人正在跳绳(存在事务),您可以选择加入他们的活动。如果没有人在跳绳,您可以以非正式的方式自己练习,不需要参与到团队的事务中。

    • PROPAGATION_NOT_SUPPORTED(不支持事务)
      以非事务方式执行方法。如果当前存在事务,则将其挂起,方法执行完毕后恢复原事务。这样可以保证方法的执行不受外部事务的影响。

    这就像您在休闲时间去运动,不受任何工作的干扰。无论别人是否在工作,您可以专注于自己的活动,没有事务的干扰。

    • PROPAGATION_MANDATORY(强制性的事务)
      必须在一个已存在的事务中执行,否则将抛出异常。这样可以确保方法在事务上下文中被调用。

    这就像您参加一个要求穿制服的活动。您必须穿制服(存在事务)才能参与,否则将无法参加。

    • PROPAGATION_NEVER(不允许事务)
      必须在非事务环境中执行,否则将抛出异常。这样可以确保方法不会被错误地嵌套在事务中。

    这就像您在一个休息时间内,被告知不能工作。无论其他人是否在工作,您不能参与到事务中。

    如何正确使用事务?

    在应用程序中,正确使用事务至关重要。以下是一些指导原则:

    1. 小而短的事务:将事务保持尽可能小和短,以减少对数据库资源的锁定时间,提高并发性能。

    2. 适当的隔离级别:选择适当的隔离级别,平衡数据的一致性和性能需求。

    3. 异常处理:捕获和处理事务中的异常,以便在错误发生时能够正确地回滚事务。

    4. 批量操作:对大量数据进行操作时,考虑使用批量操作,减少事务的数量,提高性能。

    5. 事务嵌套:某些数据库支持事务嵌套,但必须小心使用,确保正确的提交和回滚顺序。

    总结

    事务是数据库管理中保证数据一致性和完整性的重要工具。通过遵循 ACID 特性、正确使用事务操作和选择适当的隔离级别,我们可以确保应用程序的数据在并发环境下保持稳定。深入理解和正确使用数据库事务,将使您的应用更加可靠、稳定和高效。

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