在日常開發中，尤其是業務開發，少不了利用 Java 對數據庫進行基本的增刪改查等數據操作，這也是 Java 工程師的必備技能之一。做好數據操作，不僅僅需要對 Java 語言相關框架的掌握，更需要對各種數據庫自身體系結構的理解。今天這一講，作為補充 Java 面試考察知識點的完整性，關于數據庫的應用和細節還需要在實踐中深入學習。 今天我要問你的問題是，談談 MySQL 支持的事務隔離級別，以及悲觀鎖和樂觀鎖的原理和應用場景？ ## 典型回答 所謂隔離級別（[Isolation Level](https://en.wikipedia.org/wiki/Isolation_(database_systems)#Isolation_levels)），就是在數據庫事務中，為保證并發數據讀寫的正確性而提出的定義，它并不是 MySQL 專有的概念，而是源于[ANSI](https://en.wikipedia.org/wiki/American_National_Standards_Institute)/[ISO](https://en.wikipedia.org/wiki/International_Organization_for_Standardization)制定的[SQL-92](https://en.wikipedia.org/wiki/SQL-92)標準。 每種關系型數據庫都提供了各自特色的隔離級別實現，雖然在通常的[定義](https://en.wikipedia.org/wiki/Isolation_(database_systems)#Isolation_levels)中是以鎖為實現單元，但實際的實現千差萬別。以最常見的 MySQL InnoDB 引擎為例，它是基于[MVCC](https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/innodb-multi-versioning.html)（Multi-Versioning Concurrency Control）和鎖的復合實現，按照隔離程度從低到高，MySQL 事務隔離級別分為四個不同層次： * 讀未提交（Read uncommitted），就是一個事務能夠看到其他事務尚未提交的修改，這是最低的隔離水平，允許[臟讀](https://en.wikipedia.org/wiki/Isolation_(database_systems)#Dirty_reads)出現。 * 讀已提交（Read committed），事務能夠看到的數據都是其他事務已經提交的修改，也就是保證不會看到任何中間性狀態，當然臟讀也不會出現。讀已提交仍然是比較低級別的隔離，并不保證再次讀取時能夠獲取同樣的數據，也就是允許其他事務并發修改數據，允許不可重復讀和幻象讀（Phantom Read）出現。 * 可重復讀（Repeatable reads），保證同一個事務中多次讀取的數據是一致的，這是 MySQL InnoDB 引擎的默認隔離級別，但是和一些其他數據庫實現不同的是，可以簡單認為 MySQL 在可重復讀級別不會出現幻象讀。 * 串行化（Serializable），并發事務之間是串行化的，通常意味著讀取需要獲取共享讀鎖，更新需要獲取排他寫鎖，如果 SQL 使用 WHERE 語句，還會獲取區間鎖（MySQL 以 GAP 鎖形式實現，可重復讀級別中默認也會使用），這是最高的隔離級別。 至于悲觀鎖和樂觀鎖，也并不是 MySQL 或者數據庫中獨有的概念，而是并發編程的基本概念。主要區別在于，操作共享數據時，“悲觀鎖”即認為數據出現沖突的可能性更大，而“樂觀鎖”則是認為大部分情況不會出現沖突，進而決定是否采取排他性措施。 反映到 MySQL 數據庫應用開發中，悲觀鎖一般就是利用類似 SELECT … FOR UPDATE 這樣的語句，對數據加鎖，避免其他事務意外修改數據。樂觀鎖則與 Java 并發包中的 AtomicFieldUpdater 類似，也是利用 CAS 機制，并不會對數據加鎖，而是通過對比數據的時間戳或者版本號，來實現樂觀鎖需要的版本判斷。 我認為前面提到的 MVCC，其本質就可以看作是種樂觀鎖機制，而排他性的讀寫鎖、雙階段鎖等則是悲觀鎖的實現。 有關它們的應用場景，你可以構建一下簡化的火車余票查詢和購票系統。同時查詢的人可能很多，雖然具體座位票只能是賣給一個人，但余票可能很多，而且也并不能預測哪個查詢者會購票，這個時候就更適合用樂觀鎖。 ## 考點分析 今天的問題來源于實際面試，這兩部分問題反映了面試官試圖考察面試者在日常應用開發中，是否學習或者思考過數據庫內部的機制，是否了解并發相關的基礎概念和實踐。 我從普通數據庫應用開發者的角度，提供了一個相對簡化的答案，面試官很有可能進一步從實例的角度展開，例如設計一個典型場景重現臟讀、幻象讀，或者從數據庫設計的角度，可以用哪些手段避免類似情況。我建議你在準備面試時，可以在典型的數據庫上試驗一下，驗證自己的觀點。 其他可以考察的點也有很多，在準備這個問題時你也可以對比 Java 語言的并發機制，進行深入理解，例如，隨著隔離級別從低到高，競爭性（Contention）逐漸增強，隨之而來的代價同樣是性能和擴展性的下降。 數據庫衍生出很多不同的職責方向： * 數據庫管理員（DBA），這是一個單獨的專業領域。 * 數據庫應用工程師，很多業務開發者就是這種定位，綜合利用數據庫和其他編程語言等技能，開發業務應用。 * 數據庫工程師，更加側重于開發數據庫、數據庫中間件等基礎軟件。 后面兩者與 Java 開發更加相關，但是需要的知識和技能是不同的，所以面試的考察角度也有區別，今天我會分析下對相關知識學習和準備面試的看法。 另外，在數據庫相關領域，Java 工程師最常接觸到的就是 O/R Mapping 框架或者類似的數據庫交互類庫，我會選取最廣泛使用的框架進行對比和分析。 ## 知識擴展 首先，我來談談對數據庫相關領域學習的看法，從最廣泛的應用開發者角度，至少需要掌握： * 數據庫設計基礎，包括數據庫設計中的幾個基本范式，各種數據庫的基礎概念，例如表、視圖、索引、外鍵、序列號生成器等，清楚如何將現實中業務實體和其依賴關系映射到數據庫結構中，掌握典型實體數據應該使用什么樣的數據庫數據類型等。 * 每種數據庫的設計和實現多少會存在差異，所以至少要精通你使用過的數據庫的設計要點。我今天開篇談到的 MySQL 事務隔離級別，就區別于其他數據庫，進一步了解 MVCC、Locking 等機制對于處理進階問題非常有幫助；還需要了解，不同索引類型的使用，甚至是底層數據結構和算法等。 * 常見的 SQL 語句，掌握基礎的 SQL 調優技巧，至少要了解基本思路是怎樣的，例如 SQL 怎樣寫才能更好利用索引、知道如何分析[SQL 執行計劃](https://dev.mysql.com/doc/workbench/en/wb-performance-explain.html)等。 * 更進一步，至少需要了解針對高并發等特定場景中的解決方案，例如讀寫分離、分庫分表，或者如何利用緩存機制等，目前的數據存儲也遠不止傳統的關系型數據庫了。  上面的示意圖簡單總結了我對數據庫領域的理解，希望可以給你進行準備時提供個借鑒。當然在準備面試時并不是一味找一堆書悶頭苦讀，我還是建議從實際工作中使用的數據庫出發，側重于結合實踐，完善和深化自己的知識體系。 接下來我們還是回到 Java 本身，目前最為通用的 Java 和數據庫交互技術就是 JDBC，最常見的開源框架基本都是構建在 JDBC 之上，包括我們熟悉的[JPA](https://www.tutorialspoint.com/jpa/jpa_introduction.htm)/[Hibernate](https://en.wikipedia.org/wiki/Hibernate_(framework))、[MyBatis](http://www.mybatis.org/mybatis-3/)、Spring JDBC Template 等，各自都有獨特的設計特點。 Hibernate 是最負盛名的 O/R Mapping 框架之一，它也是一個 JPA Provider。顧名思義，它是以對象為中心的，其強項更體現在數據庫到 Java 對象的映射，可以很方便地在 Java 對象層面體現外鍵約束等相對復雜的關系，提供了強大的持久化功能。內部大量使用了[Lazy-load](https://en.wikipedia.org/wiki/Lazy_loading)等技術提高效率。并且，為了屏蔽數據庫的差異，降低維護開銷，Hibernate 提供了類 SQL 的 HQL，可以自動生成某種數據庫特定的 SQL 語句。 Hibernate 應用非常廣泛，但是過度強調持久化和隔離數據庫底層細節，也導致了很多弊端，例如 HQL 需要額外的學習，未必比深入學習 SQL 語言更高效；減弱程序員對 SQL 的直接控制，還可能導致其他代價，本來一句 SQL 的事情，可能被 Hibernate 生成幾條，隱藏的內部細節也阻礙了進一步的優化。 而 MyBatis 雖然仍然提供了一些映射的功能，但更加以 SQL 為中心，開發者可以側重于 SQL 和存儲過程，非常簡單、直接。如果我們的應用需要大量高性能的或者復雜的 SELECT 語句等，“半自動”的 MyBatis 就會比 Hibernate 更加實用。 而 Spring JDBC Template 也是更加接近于 SQL 層面，Spring 本身也可以集成 Hibernate 等 O/R Mapping 框架。 關于這些具體開源框架的學習，我的建議是： * 從整體上把握主流框架的架構和設計理念，掌握主要流程，例如 SQL 解析生成、SQL 執行到結果映射等處理過程到底發生了什么。 * 掌握映射等部分的細節定義和原理，根據我在準備專欄時整理的面試題目，發現很多題目都是偏向于映射定義的細節。 * 另外，對比不同框架的設計和實現，既有利于你加深理解，也是面試考察的熱點方向之一。 今天我從數據庫應用開發者的角度，分析了 MySQL 數據庫的部分內部機制，并且補充了我對數據庫相關面試準備和知識學習的建議，最后對主流 O/R Mapping 等框架進行了簡單的對比。 ## 一課一練 關于今天我們討論的題目你做到心中有數了嗎？ 今天的思考題是，從架構設計的角度，可以將 MyBatis 分為哪幾層？每層都有哪些主要模塊？