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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

由 …衆ロ難τιáo~ 提交于 2020-03-18 19:52:08

网络上关于这方面的博文有些偏理论，有些通篇代码，都不能深入浅出。本文用图文并茂的方式，配上行云流水般的代码，非要摆清楚这个问题。相关代码已提交至码云（点击这里下载）。

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。

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：

微信截图_20190223000611

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：

捕获

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：

微信截图_20190223004632

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：

捕获

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：

微信截图_20190223114546

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：

捕获2

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：

微信截图_20190223102400

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：

捕获3

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）：

20160319184334938

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：

clipboard

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：

捕获3

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。

最后，文中提到可串行化解决幻读的问题，会在下篇文章详细介绍，包含各种酷炫的乐观锁操作，敬请期待！本文唯一访问地址：https://www.cnblogs.com/yubaolee/p/10398633.html

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数据库事务
隔离级别
事务
mysql事务
context
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