【数据库系统概论】事务

一、事务的定义

1.定义：

事务是数据库管理系统中的一个逻辑工作单元，它由一组操作组成，这些操作是数据库的增删查改的这种一些类的操作 ，这些操作要么全部成功，要么全部失败。逻辑工作单元 是指在数据库中执行的一组操作，这些操作在逻辑上是一个整体，通常被称为事务。

2.事务的特点（满足一下特点才能够被看作事务）：ACID

原子性（A）：事务中的所有操作要么全部完成，要么全部不执行。
一致性（C）：事务执行前后，数据库的状态必须保持一致。
隔离性(I)：并发执行的事务之间相互独立，一个事务的执行不应影响其他事务。
持久性(D)：一旦事务提交，其结果是永久性的，即使系统崩溃也不会丢失。
下面有详细的展开解析

二、事务的状态

1.事务在执行过程中会经历不同的状态，主要包括：

新建（New）：事务被创建，但尚未开始执行。
活跃（Active）：事务正在执行中，可以进行操作。
部分提交（Partially Committed）：事务的所有操作已执行，但尚未提交。
提交（Committed）：事务的所有操作已成功执行并被永久保存。
回滚（Aborted）：事务执行失败，所有已执行的操作被撤销，数据库恢复到事务开始前的状态。

2.状态转换

从新建到活跃：事务开始执行。
从活跃到部分提交：事务执行完所有操作。
从部分提交到提交：事务成功提交。
从活跃到回滚：事务执行失败，进行回滚。

三、ACID特性

ACID是事务的四个基本特性，确保数据库的可靠性和一致性。

原子性（Atomicity）

事务是一个不可分割的操作单元，所有操作要么全部成功，要么全部失败。
如果事务中的某个操作失败，整个事务将被回滚，数据库状态恢复到事务开始前的状态。

一致性（Consistency）

事务执行前后，数据库必须保持一致性。
事务的执行不能破坏数据库的完整性约束（如主键、外键等）。

隔离性（Isolation）

并发执行的事务之间相互独立，一个事务的执行不应影响其他事务。
数据库系统通过隔离级别来控制事务之间的相互影响。

持久性（Durability）

一旦事务提交，其结果是永久性的，即使系统崩溃也不会丢失。
数据库系统会将已提交的事务结果写入持久存储（如磁盘）。

四、并发控制

1.使用并发控制的原因：

在多用户环境中，多个事务可能会同时执行，导致数据不一致。为了解决这个问题，数据库系统采用并发控制机制。

2.定义：

并发控制是指在数据库系统中，通过一系列技术和策略来管理多个事务的并发执行，以确保事务之间的相互独立性和数据的一致性。它的目标是防止并发事务在执行过程中产生冲突，导致数据不一致或错误。

3.并发控制的重要性

数据一致性：确保多个事务并发执行时，数据库的状态保持一致，避免出现脏读、不可重复读和幻读等问题。
提高系统性能：允许多个用户同时访问数据库，提高系统的吞吐量和响应速度。
支持多用户环境：在多用户环境中，确保每个用户的操作不会干扰其他用户的操作。

4.并发控制的主要方法：

4.1 锁机制

排他锁（Exclusive Lock）：一个事务对数据加锁，其他事务无法读取或修改该数据。
共享锁（Shared Lock）：多个事务可以同时读取数据，但不能修改。

4.2 隔离级别

数据库系统定义了不同的隔离级别，以控制事务之间的相互影响。常见的隔离级别包括：

读未提交（Read Uncommitted）
- 允许脏读，最低的隔离级别。
- 一个事务可以读取另一个未提交事务的数据。
读已提交（Read Committed）
- 不允许脏读，但可能出现不可重复读。
- 一个事务只能读取已提交的数据。
可重复读（Repeatable Read）
- 确保在同一事务中多次读取同一数据得到相同结果，但可能出现幻读。
- 事务在执行期间，读取的数据不会被其他事务修改。
串行化（Serializable）
- 最高的隔离级别，完全避免并发问题，但性能较低。
- 事务按顺序执行，确保数据一致性。

4.3 时间戳排序

每个事务在开始时被分配一个唯一的时间戳，数据库系统根据时间戳来决定事务的执行顺序。

4.4 乐观并发控制：

假设事务之间不会发生冲突，允许事务在不加锁的情况下执行。在提交时检查是否有冲突，如果有则回滚。

4.5 多版本并发控制（MVCC）：

允许多个事务同时读取数据的不同版本，避免锁的竞争，提高并发性能。

五、事务的实现

1. 事务日志

数据库系统会记录事务的所有操作，以便在事务失败时进行回滚。
事务日志通常包括开始、提交、回滚等操作的记录。

2. 恢复机制

数据库系统通过恢复机制来保证事务的持久性和一致性。
恢复机制通常包括：
- 重做（Redo）：在系统崩溃后，重新执行已提交的事务。
- 撤销（Undo）：在事务失败后，撤销已执行的操作。

六、事务的应用

1. 银行系统

处理存款、取款、转账等操作，确保账户余额的一致性。

2. 电商平台

处理用户下单、支付、订单查询等操作，确保订单状态的准确性。

3. 库存管理

实时更新库存状态，处理入库和出库操作，确保库存数据的一致性。

4. 航空订票系统

实时处理航班查询、预订和取消，确保座位状态的准确性。

七、总结

事务是数据库操作的基本单位，确保数据的一致性和可靠性。
ACID特性是事务的核心，确保事务的原子性、一致性、隔离性和持久性。
并发控制机制确保多个事务同时执行时的数据一致性。
事务在银行、电商、库存管理等多个领域有广泛应用。