面试题：PostgreSQL Zheap引擎中不同事务隔离级别如何实现一致性保证

Question

请阐述PostgreSQL Zheap引擎下，读已提交（Read Committed）、可重复读（Repeatable Read）和串行化（Serializable）这几种事务隔离级别分别是怎样保证数据一致性的，它们在实现机制上有哪些关键区别？

Answer 1

读已提交（Read Committed）

1. 保证数据一致性方式：
   • 每次执行语句时，PostgreSQL Zheap引擎会为每个查询生成一个新的快照。该快照包含了在查询开始时所有已提交的事务所做的修改。
   • 读取数据时，只会看到已提交事务对数据的修改，未提交事务的修改对当前查询不可见。
2. 关键实现机制：
   • 利用多版本并发控制（MVCC）。每个数据行都有多个版本，通过事务ID（XID）标记版本的提交状态。当查询执行时，根据事务ID判断哪些版本是已提交的，从而读取正确的数据版本。
   • 语句级别的快照隔离，每个SQL语句执行时获取的快照是独立的，所以不同语句看到的数据可能因为其他事务的提交而不同。

可重复读（Repeatable Read）

1. 保证数据一致性方式：
   • 在事务开始时，PostgreSQL Zheap引擎生成一个全局快照。在整个事务期间，所有的查询都基于这个初始快照。
   • 这确保了在同一个事务内，多次读取相同数据时，看到的数据状态是一致的，不受其他并发事务提交的影响。
2. 关键实现机制：
   • 同样依赖MVCC。但与读已提交不同，事务内所有查询都使用事务开始时生成的快照，而不是每个语句生成新快照。
   • 对于更新操作，会在事务提交时检查是否有其他事务修改了要更新的数据（通过比较快照中的数据版本和当前数据版本），如果有冲突则回滚事务。

串行化（Serializable）

1. 保证数据一致性方式：
   • 模拟事务串行执行的效果，确保并发执行的事务不会相互干扰，从而保证数据一致性。
   • 每个事务在提交时，PostgreSQL Zheap引擎会检查是否与其他并发事务存在冲突。如果存在冲突，事务会被回滚。
2. 关键实现机制：
   • 基于MVCC和SI（Snapshot Isolation）机制，并增加了冲突检测和回滚机制。
   • 在事务执行过程中，记录事务对数据的读写操作。在提交时，检查这些操作与其他并发事务的操作是否冲突（例如，一个事务写入的数据被另一个并发事务读取或写入）。如果有冲突，回滚当前事务。
   • 采用一种叫做“谓词锁”的机制，在查询时锁定符合条件的数据范围，防止其他事务在该范围内进行修改，从而避免幻读等问题。

关键区别

1. 快照生成时机：
   • 读已提交在每个语句执行时生成快照；可重复读在事务开始时生成快照并在事务内使用；串行化基于事务开始时的快照，但提交时要进行更复杂的冲突检测。
2. 并发控制粒度：
   • 读已提交是语句级别的隔离，并发度较高，但可能导致同一事务内不同语句看到不同数据状态。
   • 可重复读是事务级别的隔离，保证事务内数据一致性，但可能出现幻读。
   • 串行化提供最高级别的隔离，完全模拟事务串行执行，杜绝幻读等问题，但并发度相对较低，因为可能频繁回滚冲突事务。
3. 冲突检测与处理：
   • 读已提交基本不涉及冲突检测（因为每个语句快照独立）。
   • 可重复读在更新时检测数据版本冲突并回滚。
   • 串行化在提交时对读写操作进行全面冲突检测，若有冲突则回滚事务。