事务ACID特性

4 minIntermediate2026/6/14

SQL事务ACID特性：原子性、一致性、隔离性、持久性的原理、实现机制与保证

1. 事务概述

事务（Transaction）是数据库操作的逻辑单元，由一组 SQL 语句组成，具有 ACID 四大特性。

-- 典型事务：银行转账
BEGIN;
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE id = 1;  -- 扣款
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE id = 2;  -- 入账
COMMIT;

2. 原子性（Atomicity）

2.1 定义

事务中的所有操作要么全部成功，要么全部回滚，不存在部分执行的状态。

T = \{op_1, op_2, \ldots, op_n\} \implies T_{result} \in \{\text{ALL}, \text{NONE}\}

2.2 实现机制

Undo Log（回滚日志）：

事务修改数据前，先将旧值写入 undo log
事务回滚时，根据 undo log 恢复原始数据
事务提交后，undo log 可以被清理

事务执行流程：
1. 读取原始值 → 写入 undo log
2. 修改数据页
3. 如果 COMMIT：标记事务完成
4. 如果 ROLLBACK：根据 undo log 逆向恢复

-- 原子性保证：转账事务
BEGIN;
-- 操作1：扣款
UPDATE accounts SET balance = balance - 1000 WHERE id = 1;
-- 操作2：入账（如果失败，操作1也会回滚）
UPDATE accounts SET balance = balance + 1000 WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 如果操作2失败，整个事务回滚，操作1的修改被撤销

2.3 原子性的边界

-- 单条 SQL 也是原子的
DELETE FROM large_table WHERE condition;
-- 要么全部删除，要么一条不删

-- DDL 语句的原子性（PostgreSQL）
DROP TABLE table_a, table_b, table_c;
-- 三个表要么全部删除，要么全部保留

3. 一致性（Consistency）

3.1 定义

事务执行前后，数据库从一个一致状态转变为另一个一致状态，不违反任何完整性约束。

\text{State}_{before} \xrightarrow{T} \text{State}_{after}, \quad \text{constraints}(\text{State}_{after}) = \text{true}

3.2 一致性保证

-- 主键约束
INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, 'Alice');
INSERT INTO users (id, name) VALUES (1, 'Bob');  -- 违反主键约束，事务回滚

-- 外键约束
BEGIN;
DELETE FROM departments WHERE id = 5;
-- 如果 employees 表中有 dept_id = 5 的记录，且外键为 RESTRICT
-- 事务将被拒绝
COMMIT;

-- CHECK 约束
INSERT INTO products (name, price) VALUES ('item', -10);
-- 违反 CHECK (price > 0)，事务回滚

-- 唯一约束
INSERT INTO users (email) VALUES ('test@example.com');
INSERT INTO users (email) VALUES ('test@example.com');  -- 违反唯一约束

3.3 一致性的层次

数据库层一致性：由约束、触发器、级联规则保证
应用层一致性：由业务逻辑保证（数据库无法自动验证）

-- 应用层一致性示例：库存不能为负
-- 数据库约束只能保证单行
CHECK (stock >= 0)

-- 跨行一致性需要应用逻辑或可串行化隔离级别
BEGIN ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
SELECT stock FROM inventory WHERE product_id = 100;
-- 应用检查 stock >= quantity
UPDATE inventory SET stock = stock - quantity WHERE product_id = 100;
COMMIT;

4. 隔离性（Isolation）

4.1 定义

并发执行的事务之间互不干扰，每个事务感觉不到其他事务的存在。

T_1 \| T_2 \equiv T_1; T_2 \text{ 或 } T_2; T_1

4.2 隔离级别

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
READ UNCOMMITTED	可能	可能	可能
READ COMMITTED	不可能	可能	可能
REPEATABLE READ	不可能	不可能	可能
SERIALIZABLE	不可能	不可能	不可能

-- 设置隔离级别
BEGIN ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
BEGIN ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
BEGIN ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

4.3 隔离性的实现

锁机制：共享锁、排他锁、意向锁等
MVCC：多版本并发控制，读写互不阻塞
串行化：严格的两阶段锁或可串行化快照隔离

5. 持久性（Durability）

5.1 定义

事务一旦提交，其修改永久保存，即使系统崩溃也不会丢失。

\text{COMMIT}(T) \implies \text{Persistent}(T) \text{ even after crash}

5.2 实现机制

Redo Log（重做日志）：

事务修改数据时，先将变更写入 redo log（WAL 机制）
Redo log 是顺序写入，性能高
提交时确保 redo log 刷盘（fsync）
崩溃恢复时，重放 redo log 恢复已提交事务

事务提交流程：
1. 修改数据页（Buffer Pool 中）
2. 写入 redo log buffer
3. redo log buffer 刷盘（fsync）  ← 提交点
4. 返回提交成功
5. 数据页异步刷盘（checkpoint）

5.3 持久性的权衡

-- MySQL：控制刷盘策略
-- innodb_flush_log_at_trx_commit
-- = 1：每次提交 fsync（最安全，最慢）
-- = 2：每次提交写入OS缓存，每秒 fsync（折中）
-- = 0：每秒写入并 fsync（最快，可能丢失1秒数据）

-- PostgreSQL：控制 WAL 同步
-- synchronous_commit = on（默认，最安全）
-- synchronous_commit = off（异步提交，可能丢失少量事务）
-- fsync = on（确保WAL刷盘）

5.4 崩溃恢复

崩溃恢复流程：
1. 从最后一个 checkpoint 开始扫描 redo log
2. 重做（REDO）：重放所有已提交事务的修改
3. 撤销（UNDO）：回滚所有未提交事务的修改
4. 恢复完成，数据库进入一致状态

6. ACID 的权衡

6.1 ACID vs BASE

特性	ACID	BASE
一致性	强一致性	最终一致性
可用性	可能牺牲	高可用
隔离性	严格隔离	松散隔离
性能	较低	较高
适用场景	金融、交易	社交、日志

6.2 实践中的权衡

-- 降低隔离级别提升并发
BEGIN ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;  -- 比 SERIALIZABLE 更快

-- 异步提交提升吞吐
SET synchronous_commit = off;  -- PostgreSQL

-- 批量提交减少 fsync 开销
BEGIN;
INSERT INTO logs VALUES (...);  -- 多条
INSERT INTO logs VALUES (...);
COMMIT;  -- 一次 fsync