說到數(shù)據(jù)庫，以前我老師有一句很經(jīng)典的話。你可以不會寫SQL，但是一定不能不知道ACID。
在工業(yè)領(lǐng)域，SQL可以說是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。從后端到算法，從數(shù)據(jù)到DBA，再到產(chǎn)品，甚至連一些運營也會基本的SQL。所以如果你現(xiàn)在還不太會的話，我建議你用一個下午的時間找個網(wǎng)站好好學一下。
原本我是想直接寫些Hbase相關(guān)的內(nèi)容，但是我發(fā)現(xiàn)要想講清楚Hbase，必須要講noSQL數(shù)據(jù)庫。如果將noSQL，則又離不開最傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。所以我們一步一步來，先從基礎(chǔ)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫講起。或許我這么說并不準確，因為數(shù)據(jù)庫并不基礎(chǔ)，相反它十分復雜。從索引到各種優(yōu)化和設(shè)計原理，再到內(nèi)部的各種算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，涉及到的內(nèi)容非常多。我們先把浩如煙海的知識放一放，先從最核心的數(shù)據(jù)庫四大原則開始說起。
數(shù)據(jù)庫事務(wù)ACID四大原則，A代表Atomicity，即原子性。C表示Consistency，即一致性。I表示Isolation，即隔離性。D表示Durability，即持久性。
這四個原則了解過數(shù)據(jù)庫的應(yīng)該都如雷貫耳。可是真正面試的時候被問起來，能一個不落說得上來，并且講得清楚原委的就不多了。我覺得主要是因為我們的翻譯過于文雅，不像英文那么直觀，所以很難顧名思義。另一個原因是我們在學習的時候理解不夠深入，只知道原因，不知道原因的究竟。所謂知其然，不知其所以然。
原子性
讓我們先從其中最簡單的原子性開始。
原子性理解起來最簡單，也最常用。我就在面試當中遇見過不止一次，還有一次讓我用JAVA寫一個轉(zhuǎn)賬的功能，其實就是想看看我知不知道原子性。
原子兩個字看起來一頭霧水，其實這里不是指物理學上的基本粒子，而是指的不可分割的意思。也就是說在一個事務(wù)當中的所有操作應(yīng)該被視為一個不可分割的整體，要么全成功，要么全部失敗。這點用轉(zhuǎn)賬這個問題舉例最合適。A將銀行卡里的錢轉(zhuǎn)100給B，很明顯，數(shù)據(jù)庫需要做兩件事情，一件事A賬戶扣款100，另一件是B賬戶收入100。但問題來了，計算機系統(tǒng)并不是100%可靠的，可能會存在極小的可能失敗。如果A扣款之后，發(fā)生網(wǎng)絡(luò)延遲或者系統(tǒng)down機，導致B賬戶的錢沒有增加，那怎么辦？A不是白白扣了錢？
A白白扣了錢是小事，一個金融系統(tǒng)如此不穩(wěn)定，顯然是不能接受的。所以，在數(shù)據(jù)庫的事務(wù)當中，應(yīng)該保證原子性。扣錢和收錢雖然是兩個操作，但是應(yīng)該被視為一個。要么一起成功，要么一起失敗。失敗了還可以重試，如果成功了一半，那都不知道該怎么修復了。
事務(wù)的一種實現(xiàn)方法是在執(zhí)行的時候先不將最終的結(jié)果更新到數(shù)據(jù)庫，而是先寫在事務(wù)日志上。等整個事務(wù)執(zhí)行成功之后，再將事務(wù)日志上的內(nèi)容同步到數(shù)據(jù)庫當中。如果失敗了，則將事務(wù)日志刪除，完成回滾。
持久性
第二個要介紹的是持久性。
持久性指的是數(shù)據(jù)的持久性，指的是事務(wù)完成了之后，這個事務(wù)對數(shù)據(jù)庫所作出的修改就被持久地保存進了數(shù)據(jù)庫當中，不會再被回滾操作影響。即使出現(xiàn)了各種事故，比如機房斷電、網(wǎng)絡(luò)故障等等意外情況，數(shù)據(jù)庫當中的數(shù)據(jù)也不能丟失。
但是前文當中說了，計算機系統(tǒng)很難做到100%可靠。如果萬一的情況發(fā)生了，數(shù)據(jù)庫當中的數(shù)據(jù)丟了，那么應(yīng)該怎么辦呢？
沒關(guān)系，之前在介紹原子性的時候介紹過了。所有的事務(wù)操作在執(zhí)行之前，都會先把數(shù)據(jù)記錄到事務(wù)日志當中，再同步到數(shù)據(jù)庫。即使是數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)丟失了，那么只要根據(jù)事務(wù)日志重新執(zhí)行一遍對應(yīng)的操作，就可以恢復數(shù)據(jù)庫當中的數(shù)據(jù)，維持數(shù)據(jù)庫的持久性。實際上，現(xiàn)在的數(shù)據(jù)庫默認會將所有的操作都當做事務(wù)來執(zhí)行，因此基本上不用擔心數(shù)據(jù)丟失的情況。
隔離性
然后，介紹的是隔離性。
在我們理解了原子性之后，隔離性就很好理解了。當我們同時有多個事務(wù)一起執(zhí)行的時候，如果隔離性做得不好，很有可能導致很多問題。
以下四種問題最常見：
1. 臟讀
臟讀是指一個事務(wù)讀到了另一個事務(wù)執(zhí)行的中間結(jié)果。還用我們剛才的轉(zhuǎn)賬的例子舉例：
當我們轉(zhuǎn)賬的事務(wù)沒有執(zhí)行完，另一個事務(wù)就讀取了它的中間結(jié)果，很有可能就造成臟讀。因為萬一之前的事務(wù)回滾，那么新讀取到的結(jié)果就是錯的，和A賬號回滾之后的余額不一致。如果這個數(shù)據(jù)應(yīng)用在其他的系統(tǒng)當中，就會引起大規(guī)模的數(shù)據(jù)問題。
2. 不可重復讀
不可重復讀的意思是說，如果在一個事務(wù)當中，我們讀取了某個數(shù)據(jù)兩次。剛好在這中間，有另一個事務(wù)修改了這條數(shù)據(jù)，那么同樣會引起數(shù)據(jù)錯誤，因為這兩次讀取到的結(jié)果不一致。
比如我們對A賬戶的一個事務(wù)還沒有結(jié)束，這時候它的結(jié)果就被其他事務(wù)修改了。那么程序就會發(fā)生錯亂，因為讀到了它沒有預(yù)料到的修改。
解決方法是針對當前修改的數(shù)據(jù)進行隔離，同一時刻只允許一個事務(wù)對該條數(shù)據(jù)進行修改，以保證數(shù)據(jù)的一致性。
3. 幻讀
幻讀的概念也很簡單，就是一個事務(wù)讀取兩次，讀到的數(shù)據(jù)條數(shù)不一致。這點和不可重復讀非常類似，不過不同的是不可重復讀針對的是確定的某一條數(shù)據(jù)，而幻讀指的是對整個數(shù)據(jù)庫或者是整個表而言。
要解決也很簡單，因為幻讀是其他事務(wù)修改新增或者修改其他數(shù)據(jù)產(chǎn)生的，所以要排除掉這種情況，只針對我們修改的數(shù)據(jù)進行加鎖和隔離是不夠的。我們需要將整個數(shù)據(jù)庫，或者是分區(qū)進行隔離，同一時刻，只允許一個事務(wù)對一個分片或者是數(shù)據(jù)表進行修改。
4. 更新丟失
更新丟失的定義很直觀，當我們針對一條數(shù)據(jù)進行修改的時候。同時也有另一個事務(wù)在修改同一條內(nèi)容，會導致后者覆蓋前者的內(nèi)容。比如說賬戶里原本100元，A事務(wù)往賬戶里添加10元，B事務(wù)往賬戶里扣除20元。A修改成110的同時，被B事務(wù)的80所覆蓋，導致A的操作就像是沒有執(zhí)行過一樣，引起更新丟失。這個問題在并發(fā)場景當中也最為經(jīng)典。
解決的辦法同樣是做好隔離操作，在一個寫入完成之前，禁止其他事務(wù)的讀入。事實上更新丟失是并發(fā)場景下最容易出現(xiàn)的錯誤，而且如果設(shè)計不合理，出現(xiàn)了錯誤也會非常難排查。
數(shù)據(jù)庫解決隔離性問題的辦法就是設(shè)置不同的隔離級別，不同的隔離級別對應(yīng)不同的隔離策略，可以保證不同級別下的隔離性。不同的隔離級別意味著使用不同級別的鎖，顯然隔離級別越高意味著性能越差。所以這就需要數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）對于當前的應(yīng)用場景，以及并發(fā)量和數(shù)據(jù)風險有一個非常清楚的認知。能夠在性能和安全性之間做一個權(quán)衡。這里，我們不多做具體的探究，觀察一下下圖，簡單了解一下即可：
從上到下以此是四種隔離級別，越往下隔離級別越高，能夠解決的隔離性問題也就越多。同樣的，用到的鎖也就越多，系統(tǒng)的性能也就越差。
最上面未提交讀是最低的隔離級別，在讀取的時候并不會判斷是否可能會讀取到?jīng)]有提交的數(shù)據(jù)。所以它的隔離性最差，連最簡單的臟讀都無法解決。
已提交讀則是通過鎖限制了只會讀取已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)的時候使用的共享鎖，在讀取完成之后立即釋放。這種隔離級別只能夠解決最常見的臟讀問題，它也是SQL server數(shù)據(jù)庫的默認隔離級別。
可重復讀的讀取過程和已提交級別一樣，但是在讀取的時候會保持共享鎖，一直到事務(wù)結(jié)束。也就是說只要一個事務(wù)沒有結(jié)束，鎖就不會釋放。其他的事務(wù)無法更新數(shù)據(jù)，保證了不會出現(xiàn)不可重復讀的情況。
最后是可串行讀，它是在可重復讀的基礎(chǔ)上進一步加強了隔離性。在事務(wù)進行當中，不僅會鎖定受影響的數(shù)據(jù)本身，而且還會鎖定整個范圍。這就阻止了其他事務(wù)影響整體的情況出現(xiàn)。在這個隔離級別下，保證了事務(wù)之間不會有任何踩踏。
到這里，數(shù)據(jù)庫事務(wù)四大原則當中的三個就介紹完了，內(nèi)容看起來不少，但其實還沒有結(jié)束，關(guān)于隔離的實現(xiàn)會牽扯到鎖的使用，這塊深挖下去，又會牽扯許多內(nèi)容。不過對于我們算法從業(yè)者而言，能夠了解到這一層，也差不多夠了。
四原則當中還剩下一個一致性原則，一致性這個單詞在很多地方都出現(xiàn)過，比如分布式存儲系統(tǒng)、多副本的一致性等等。但是這些概念的意思并不相同，不可以簡單地理解成同一回事。數(shù)據(jù)庫的一致性表示數(shù)據(jù)的狀態(tài)是正確的，在轉(zhuǎn)移的時候，是從一個正確的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到了另一個正確的狀態(tài)。正確的狀態(tài)其實就是指不出錯的狀態(tài)，也就是和程序員預(yù)期一致的狀態(tài)。之前在介紹隔離性時談到的種種問題，總結(jié)起來都是數(shù)據(jù)和程序員的預(yù)期不一致。也就是說如果和程序員的預(yù)期一致，就可以認為滿足了一致性。
雖然一致性是數(shù)據(jù)庫的四原則之一，但數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)當中并沒有專門針對一致性的部分。其實在數(shù)據(jù)庫眼中，滿足了其他三原則，那么自然也就達成了一致性。一致性是目的，并不是手段。舉個例子，還是以剛剛轉(zhuǎn)賬的情景距離。A向B轉(zhuǎn)賬100，我們都知道，前提條件是A的賬戶里的金額大于等于100，如果A賬戶里小于100，我們開發(fā)的時候沒有做校驗還強行轉(zhuǎn)賬成功。那么這個結(jié)果顯然是錯誤的，也是和我們預(yù)期不一致的，但是這個問題發(fā)生的原因并不是因為數(shù)據(jù)庫沒有做好一致性，而是開發(fā)人員忽略了限制條件。
所以數(shù)據(jù)庫的教材上才會寫著“Ensuring the consistency is the responsibility of user, not DBMS.", "DBMS assumes that consistency holds for each transaction”。
“保證一致性是開發(fā)的責任，而不是數(shù)據(jù)庫的，數(shù)據(jù)庫假設(shè)每一個事務(wù)都符合 一致性。”
到這里，數(shù)據(jù)庫事務(wù)的四原則就介紹完了，衷心祝大家，日拱一卒，每天都有收獲。
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