Spring 事务有几个隔离级别？如何使用它们？

发表于 2024-12-15 分类于 Spring 阅读次数：本文字数： 11k 阅读时长 ≈ 10 分钟

你好，我是猿java。

在 Spring 框架中的事务管理，隔离级别是关键组成部分。这篇文章，我们将详细探讨 Spring 事务的隔离级别，包括其原理分析、代码实现以及使用示例。

1. Spring 事务的隔离级别概述

在数据库系统中，事务隔离级别定义了一个事务在多大程度上能够看到其他事务对数据库所做的修改。Spring 支持的事务隔离级别与标准的 JDBC 隔离级别保持一致，共有五种主要的隔离级别：

DEFAULT：使用数据库的默认隔离级别。
READ_UNCOMMITTED（读未提交）
READ_COMMITTED（读已提交）
REPEATABLE_READ（可重复读）
SERIALIZABLE（可串行化）

不同的隔离级别在数据一致性和并发性能之间存在权衡。以下将详细介绍每个隔离级别的原理、优缺点以及在 Spring 中的使用方式。

2. 事务隔离级别详解

2.1 默认

定义：使用数据库系统的默认隔离级别。

原理分析：不同的数据库系统可能具有不同的默认隔离级别。例如，MySQL 的 InnoDB 存储引擎默认使用 REPEATABLE_READ，而 Oracle 通常使用 READ_COMMITTED。

优缺点：

优点：简单，不需要显式指定，依赖数据库的最佳实践。
缺点：移植性差，不同数据库可能表现不一致。

使用示例：

@Transactional(isolation = Isolation.DEFAULT)
public void someServiceMethod() {
    // 业务逻辑
}

2.2 读未提交

定义：允许一个事务读取另一个事务尚未提交的数据，这可能导致脏读、不可重复读和幻读。

原理分析：在这种隔离级别下，事务 A 可以读取到事务 B 未提交的数据。如果事务 B 回滚，事务 A 读取到的数据将不一致，称为“脏读”。

优缺点：

优点：并发性最高，性能最好。
缺点：数据一致性低，容易出现脏读、不可重复读和幻读。

使用示例：

@Transactional(isolation = Isolation.READ_UNCOMMITTED)
public void readUncommittedMethod() {
    // 业务逻辑，可能读取到脏数据
}

2.3 读已提交

定义：一个事务只能读取另一个事务已提交的数据，防止脏读，但仍可能出现不可重复读和幻读。

原理分析：事务 A 在读取某数据时，事务 B 必须先提交其对该数据的更改。因此，事务 A 不会读取到脏数据，但在事务 A 执行多次读取时，可能会看到不同的数据值（不可重复读）。此外，事务 A 在执行范围查询时，可能会看到事务 B 插入的新行（幻读）。

优缺点：

优点：避免脏读，数据一致性较好。
缺点：不可重复读和幻读问题依然存在。

使用示例：

@Transactional(isolation = Isolation.READ_COMMITTED)
public void readCommittedMethod() {
    // 业务逻辑，避免脏读
}

2.4 可重复读

定义：确保在同一个事务内多次读取同一数据结果一致，防止脏读和不可重复读，但可能出现幻读。

原理分析：事务 A 读取的数据在该事务期间是稳定的，即使事务 B 修改了这部分数据，事务 A 依然会看到事务开始时的数据状态。幻读的出现是因为事务 B 可能在范围查询中插入新的符合条件的数据行，但事务 A 的范围查询不会看到这些新增行。

优缺点：

优点：避免脏读和不可重复读，数据一致性较高。
缺点：仍可能出现幻读。

使用示例：

@Transactional(isolation = Isolation.REPEATABLE_READ)
public void repeatableReadMethod() {
    // 业务逻辑，避免脏读和不可重复读
}

2.5 可串行化

定义：最高的隔离级别，通过强制事务串行执行，避免所有并发问题，包括幻读。

原理分析：事务之间完全隔离，仿佛事务是按顺序一个接一个执行的。事务 A 完全执行完毕后，事务 B 才开始执行。确保数据完全一致，但大幅降低了并发性能。

优缺点：

优点：避免所有并发问题，数据一致性最高。
缺点：并发性能低，容易发生死锁，资源占用高。

使用示例：

@Transactional(isolation = Isolation.SERIALIZABLE)
public void serializableMethod() {
    // 业务逻辑，完全隔离
}

3. Spring 中事务隔离级别的设置

在 Spring 中，事务的隔离级别主要通过 @Transactional 注解中的 isolation 属性进行设置。@Transactional 注解可以应用于类级别或方法级别，具体设置遵循覆盖原则：方法级别的设置会覆盖类级别的设置。

3.1 使用 `@Transactional` 注解设置隔离级别

import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;
import org.springframework.transaction.annotation.Isolation;

@Service
public class TransactionService {

    @Transactional(isolation = Isolation.READ_COMMITTED)
    public void readCommittedTransaction() {
        // 业务逻辑
    }

    @Transactional(isolation = Isolation.SERIALIZABLE)
    public void serializableTransaction() {
        // 业务逻辑
    }
}

3.2 全局默认隔离级别设置

可以在 Spring 配置文件中为所有事务设置一个全局默认的隔离级别。例如，在基于 Java 配置的 Spring 应用中：

import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.transaction.annotation.EnableTransactionManagement;
import org.springframework.transaction.PlatformTransactionManager;
import org.springframework.jdbc.datasource.DataSourceTransactionManager;

@Configuration
@EnableTransactionManagement
public class TransactionConfig {

    @Bean
    public PlatformTransactionManager transactionManager(DataSource dataSource) {
        DataSourceTransactionManager transactionManager = new DataSourceTransactionManager();
        transactionManager.setDataSource(dataSource);
        // 默认隔离级别设置为 READ_COMMITTED
        transactionManager.setDefaultTimeout(30); // 设置默认超时时间(秒)
        return transactionManager;
    }
}

在此配置中，事务管理器将使用数据库默认的隔离级别，除非在 @Transactional 注解中显式指定。

4. 数据库对隔离级别的支持

不同的数据库系统对事务隔离级别的支持程度有所不同。以下是一些常见数据库对不同隔离级别的支持情况：

4.1 MySQL（InnoDB）：

支持所有标准隔离级别。
默认隔离级别为 REPEATABLE_READ。
SERIALIZABLE 级别通过在事务内设置锁定读（如使用 SELECT ... FOR UPDATE）来强制串行化。

4.2 PostgreSQL：

支持所有标准隔离级别。
默认隔离级别为 READ_COMMITTED。
实现了更严格的一致性模型，尽管用户可以设置不同的隔离级别。

4.3 Oracle：

主要支持 READ_COMMITTED 和 SERIALIZABLE。
默认隔离级别为 READ_COMMITTED。
不支持 READ_UNCOMMITTED 和 REPEATABLE_READ。

4.4SQL Server：

支持所有标准隔离级别。
默认隔离级别为 READ_COMMITTED。
提供额外的锁定提示和行版本控制选项。

5. 事务隔离级别的选择

选择合适的事务隔离级别需要考虑以下因素：

数据一致性要求：高一致性要求通常需要较高的隔离级别，如 REPEATABLE_READ 或 SERIALIZABLE。
并发性能要求：高并发性能通常需要较低的隔离级别，如 READ_COMMITTED 或 READ_UNCOMMITTED。
业务场景：某些业务场景对一致性和性能有特殊要求，需要根据具体情况选择合适的隔离级别。
数据库特性：不同数据库对隔离级别的支持和实现方式不同，需要根据数据库特性做出选择。

在大多数应用场景中，READ_COMMITTED 是一个常见的选择，因为它在避免脏读的同时，保持了较好的并发性能。如果需要更高的数据一致性，可以选择 REPEATABLE_READ 或 SERIALIZABLE，但需要注意可能带来的性能开销和潜在的死锁问题。

6. 事务隔离级别的实际应用示例

下面通过一个简单的示例，展示如何在 Spring 应用中配置和使用不同的事务隔离级别。

6.1 实体类和仓库接口

6.1.1 User 实体类

import javax.persistence.Entity;
import javax.persistence.Id;

@Entity
public class User {

    @Id
    private Long id;
    private String name;
    private Double balance;

    // Getters and Setters
    // Constructor
}

6.1.2 UserRepository 接口

import org.springframework.data.jpa.repository.JpaRepository;

public interface UserRepository extends JpaRepository<User, Long> {
}

6.2 服务层实现

6.2.1 UserService 类

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;
import org.springframework.transaction.annotation.Transactional;
import org.springframework.transaction.annotation.Isolation;

@Service
public class UserService {

    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    // 默认隔离级别（数据库默认）
    @Transactional
    public void defaultIsolationTransfer(Long fromUserId, Long toUserId, Double amount) {
        User fromUser = userRepository.findById(fromUserId).orElseThrow();
        User toUser = userRepository.findById(toUserId).orElseThrow();

        fromUser.setBalance(fromUser.getBalance() - amount);
        toUser.setBalance(toUser.getBalance() + amount);

        userRepository.save(fromUser);
        // 模拟异常
        if (true) {
            throw new RuntimeException("Simulated Exception");
        }
        userRepository.save(toUser);
    }

    // READ_COMMITTED 隔离级别
    @Transactional(isolation = Isolation.READ_COMMITTED)
    public void readCommittedTransfer(Long fromUserId, Long toUserId, Double amount) {
        User fromUser = userRepository.findById(fromUserId).orElseThrow();
        User toUser = userRepository.findById(toUserId).orElseThrow();

        fromUser.setBalance(fromUser.getBalance() - amount);
        toUser.setBalance(toUser.getBalance() + amount);

        userRepository.save(fromUser);
        userRepository.save(toUser);
    }

    // SERIALIZABLE 隔离级别
    @Transactional(isolation = Isolation.SERIALIZABLE)
    public void serializableTransfer(Long fromUserId, Long toUserId, Double amount) {
        User fromUser = userRepository.findById(fromUserId).orElseThrow();
        User toUser = userRepository.findById(toUserId).orElseThrow();

        fromUser.setBalance(fromUser.getBalance() - amount);
        toUser.setBalance(toUser.getBalance() + amount);

        userRepository.save(fromUser);
        userRepository.save(toUser);
    }
}

6.3 控制层实现

为了测试事务隔离级别的效果，可以通过控制器发起并发请求，观察不同隔离级别下的数据一致性和并发行为。

6.3.1 UserController 类

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

@RestController
@RequestMapping("/users")
public class UserController {

    @Autowired
    private UserService userService;

    // 初始化用户数据
    @PostMapping("/init")
    public String initUsers() {
        User user1 = new User();
        user1.setId(1L);
        user1.setName("Alice");
        user1.setBalance(1000.0);

        User user2 = new User();
        user2.setId(2L);
        user2.setName("Bob");
        user2.setBalance(1000.0);

        userService.userRepository.save(user1);
        userService.userRepository.save(user2);
        return "Users initialized";
    }

    // 默认隔离级别转账
    @PostMapping("/transfer/default")
    public String transferDefault(@RequestParam Long from, @RequestParam Long to, @RequestParam Double amount) {
        try {
            userService.defaultIsolationTransfer(from, to, amount);
            return "Transfer successful";
        } catch (Exception e) {
            return "Transfer failed: " + e.getMessage();
        }
    }

    // READ_COMMITTED 隔离级别转账
    @PostMapping("/transfer/read_committed")
    public String transferReadCommitted(@RequestParam Long from, @RequestParam Long to, @RequestParam Double amount) {
        try {
            userService.readCommittedTransfer(from, to, amount);
            return "Transfer successful";
        } catch (Exception e) {
            return "Transfer failed: " + e.getMessage();
        }
    }

    // SERIALIZABLE 隔离级别转账
    @PostMapping("/transfer/serializable")
    public String transferSerializable(@RequestParam Long from, @RequestParam Long to, @RequestParam Double amount) {
        try {
            userService.serializableTransfer(from, to, amount);
            return "Transfer successful";
        } catch (Exception e) {
            return "Transfer failed: " + e.getMessage();
        }
    }
}

6.4 测试事务隔离级别

通过模拟并发请求，可以测试不同隔离级别下的事务行为。

6.4.1 初始化用户数据

发送 POST 请求到 /users/init 以初始化用户数据：

1	POST http://localhost:8080/users/init

响应：

1	Users initialized

6.4.2 测试不同隔离级别的转账操作

以下示例展示在不同隔离级别下进行转账操作的行为。

注意：在实际测试中，需要使用多线程或多个客户端模拟并发请求，以观察事务隔离级别的效果。本文仅提供单线程操作的基本示例。

6.4.3 默认隔离级别转账

发送 POST 请求到 /users/transfer/default：

1	POST http://localhost:8080/users/transfer/default?from=1&to=2&amount=100

响应：

1	Transfer failed: Simulated Exception

分析：由于转账操作中模拟了一个异常，事务会回滚，用户余额保持不变。

6.4.4 READ_COMMITTED 隔离级别转账

发送 POST 请求到 /users/transfer/read_committed：

1	POST http://localhost:8080/users/transfer/read_committed?from=1&to=2&amount=100

响应：

1	Transfer failed: Simulated Exception

分析：与默认隔离级别类似，事务回滚，用户余额保持不变。READ_COMMITTED 级别防止了脏读，但在本示例中未涉及读取其他事务的数据，因此效果与默认隔离级别一致。

6.4.5 SERIALIZABLE 隔离级别转账

发送 POST 请求到 /users/transfer/serializable：

1	POST http://localhost:8080/users/transfer/serializable?from=1&to=2&amount=100

响应：

1	Transfer failed: Simulated Exception

分析：同样由于异常，事务回滚。SERIALIZABLE 级别在高并发场景下，通过强制事务串行执行，避免了所有并发问题。

7. 代码分析与原理探讨

7.1 Spring 事务管理机制

Spring 的事务管理通过声明式和编程式两种方式实现，其中声明式事务管理（通过 @Transactional 注解）更为常用和便捷。Spring 使用代理模式（基于 AOP）在事务方法前后插入事务管理逻辑，确保事务的一致性和完整性。

7.1.1 事务代理

当一个类的方法被 @Transactional 注解标记时，Spring 会为该类创建一个代理对象。调用该方法时，实际执行的是代理的方法，其中包含事务开始、提交或回滚的逻辑。

7.1.2 事务传播行为

Spring 事务管理还支持事务的传播行为（Propagation Behavior），用于定义事务方法之间的关系，如 REQUIRED、REQUIRES_NEW、MANDATORY 等。这些机制与事务隔离级别共同作用，控制事务的行为和数据一致性。

7.2 事务隔离级别的实现原理

事务隔离级别主要通过数据库锁机制和多版本并发控制（MVCC）来实现。不同的隔离级别对应不同的锁策略和并发控制机制。

7.2.1 锁机制

共享锁（Shared Lock）：允许多个事务同时读取数据，但不允许修改。
排他锁（Exclusive Lock）：仅允许一个事务修改数据，其他事务不能读取或修改。
范围锁（Range Lock）：锁定一个范围的数据，防止其他事务插入或修改范围内的数据。

不同隔离级别使用不同的锁组合，以实现对数据访问的控制。例如，SERIALIZABLE 级别通常使用范围锁来避免幻读。

7.2.2 多版本并发控制（MVCC）

MVCC 允许多个事务同时读取数据的不同版本，而无需使用锁。这种机制提高了并发性能，同时保证了数据的一致性。许多现代数据库（如 PostgreSQL、MySQL InnoDB）采用 MVCC 来实现较高的隔离级别。

7.3 Spring 中的事务隔离级别与数据库的关系

Spring 的事务隔离级别配置实际上是对底层数据库隔离级别的映射。不同数据库对隔离级别的具体实现细节不同，但 Spring 提供了统一的抽象，使得开发者可以独立于具体数据库选择合适的隔离级别。

例如，设置 Isolation.READ_COMMITTED 在 MySQL 和 PostgreSQL 中都有一致的行为，但不同数据库在实现细节（如锁机制、MVCC 方式）上可能有所不同。

7.4 事务隔离级别的性能影响

事务隔离级别直接影响数据库的并发性能和资源使用。较高的隔离级别（如 SERIALIZABLE）通常需要更多的锁和更严格的控制，导致吞吐量降低和资源消耗增加。相反，较低的隔离级别提高了并发性能，但可能引入数据一致性问题。

开发者在选择事务隔离级别时，需要在数据一致性和并发性能之间找到平衡，根据具体的业务需求和应用场景做出合理选择。

8. 事务隔离级别的最佳实践

8.1 明确业务需求

理解业务需求对于选择合适的隔离级别至关重要。如果业务对数据一致性要求极高，应选择较高的隔离级别；如果并发性能更为重要，可以选择较低的隔离级别。

8.2 避免不必要的高隔离级别

高隔离级别带来了性能开销，只有在确实需要时才选择高隔离级别。例如，大多数应用使用 READ_COMMITTED 就能满足需求，只有在特定操作中需要更高一致性时才使用 REPEATABLE_READ 或 SERIALIZABLE。

8.3 使用乐观锁和悲观锁

在某些场景下，结合使用乐观锁（如版本号机制）和悲观锁（如行级锁）可以更灵活地控制并发和一致性问题，而不完全依赖于事务隔离级别。

8.4 监控和调优

持续监控数据库的并发性能和事务执行情况，结合应用实际表现进行隔离级别的调优，以确保应用在一致性和性能之间保持良好的平衡。

8.5 数据库选型与配置

选择支持所需隔离级别的数据库，并根据应用需求进行恰当的数据库配置。例如，开启或优化 MVCC 参数，以提升高隔离级别下的性能表现。

9. 结论

事务隔离级别是数据库并发控制的重要机制，它在数据一致性和并发性能之间提供了灵活的平衡。Spring 提供了便捷的事务管理和隔离级别配置，使开发者能够根据业务需求轻松调整事务行为。通过深入理解每个隔离级别的原理、优缺点及其在 Spring 中的实现，开发者可以构建高效、可靠的应用程序，确保数据的一致性和系统的稳定性。

本文详细介绍了 Spring 事务的五种隔离级别，从原理分析到代码实现，再到实际使用示例，希望能帮助读者更好地理解和应用事务隔离级别，以应对各种复杂的数据一致性和并发控制需求。

10. 学习交流

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1. Spring 事务的隔离级别概述

2. 事务隔离级别详解

2.1 默认

2.2 读未提交

2.3 读已提交

2.4 可重复读

2.5 可串行化

3. Spring 中事务隔离级别的设置

3.1 使用 @Transactional 注解设置隔离级别

3.2 全局默认隔离级别设置

4. 数据库对隔离级别的支持

5. 事务隔离级别的选择

6. 事务隔离级别的实际应用示例

6.1 实体类和仓库接口

6.1.1 User 实体类

6.1.2 UserRepository 接口

6.2 服务层实现

6.2.1 UserService 类

6.3 控制层实现

6.3.1 UserController 类

6.4 测试事务隔离级别

6.4.1 初始化用户数据

6.4.2 测试不同隔离级别的转账操作

6.4.3 默认隔离级别转账

6.4.4 READ_COMMITTED 隔离级别转账

6.4.5 SERIALIZABLE 隔离级别转账

7. 代码分析与原理探讨

7.1 Spring 事务管理机制

7.1.1 事务代理

7.1.2 事务传播行为

7.2 事务隔离级别的实现原理

7.2.1 锁机制

7.2.2 多版本并发控制（MVCC）

7.3 Spring 中的事务隔离级别与数据库的关系

7.4 事务隔离级别的性能影响

8. 事务隔离级别的最佳实践

8.1 明确业务需求

8.2 避免不必要的高隔离级别

8.3 使用乐观锁和悲观锁

8.4 监控和调优

8.5 数据库选型与配置

9. 结论

10. 学习交流

3.1 使用 `@Transactional` 注解设置隔离级别