# 数据库原理入门:为什么淘宝能在 0.01 秒内找到你的订单?
> 💡 **学习指南**:本章节无需编程基础。我们将从一个你熟悉的场景出发——当你在淘宝搜索订单时,系统如何在 10 亿条记录中瞬间定位到你购买的那件 T 恤?答案藏在数据库的底层原理里:B+ 树、索引、事务……我们会用真实的业务案例(淘宝、微信、12306)一步步拆解这些概念。
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## 0. 引言:当你的 Excel 打不开时
想象一下:
- **场景 A**:你是淘宝的订单系统负责人,今天是大促,1 秒钟有 100 万笔新订单涌入。你的 Excel 还在转圈……
- **场景 B**:你是微信的工程师,用户正在加载朋友圈,需要瞬间从百亿条动态里找到他好友的 20 条。你的代码还在循环遍历……
- **场景 C**:你是 12306 的架构师,春运当天,几千万人同时抢票,系统必须保证同一张票不会被两个人同时买到。你的数据库连接池已经耗尽……
这三个场景的共同点是:**数据规模已经从"千条"变成了"百亿条",用户并发从"几人"变成了"千万人"**。
这时候,Excel 已经完全无法胜任,你需要的是**数据库 (Database)**。
本教程将带你从零开始,理解数据库这座大厦是如何构建的:
1. **存储革命**:数据是如何从 Excel 进化到数据库的?
2. **关系模型**:表、行、列、主键、外键到底是什么?
3. **查询语言**:如何用 SQL 与数据库对话?
4. **性能核心**:为什么数据库能毫秒级查询?(揭秘 B+ 树索引)
5. **事务安全**:如何保证数据不丢、不乱、不冲突?
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## 1. 为什么 Excel 不够用了?从记事本到数据库的进化
### 1.1 当数据只有 100 条时:记事本时代
假设你开了一家小书店,每天卖出几本书。你随手记在笔记本上:
```
2024-01-15:张三买了《百年孤独》,59元
2024-01-16:李四买了《活着》,39元
```
**优点**:零门槛,拿笔就能写。
**缺点**:
- 想知道"上个月一共卖了多少钱?"——你得一页页翻,按着计算器算半天。
- 想知道"哪本书卖得最好?"——你可能需要手动数每本书出现的次数。
这就是**无结构化数据**的困境:数据是死的,想要获得洞察,需要人工大量加工。
### 1.2 当数据增长到 1 万条时:Excel 时代
生意好了,你开始用 **Excel**。
你建了一张表,列出了:`订单号`、`书名`、`价格`、`购买者`、`购买日期`。
| 订单号 | 书名 | 价格 | 购买者 | 日期 |
|--------|------|------|--------|------|
| 001 | 百年孤独 | 59 | 张三 | 2024-01-15 |
| 002 | 活着 | 39 | 李四 | 2024-01-16 |
**优点**:
- 可以**自动求和**(SUM 函数)。
- 可以**排序**(按价格从高到低)。
- 可以**筛选**(只看张三的购买记录)。
**缺点**:
- **容量有限**:当你有 100 万行数据时,Excel 打开都要几分钟,甚至直接卡死。
- **难以协作**:你和店员不能同时修改同一个文件,否则会冲突(你得等同事保存关闭后才能编辑)。
- **数据不安全**:不小心删了一行,Ctrl+Z 可能救不回来。如果硬盘坏了,数据可能永久丢失。
- **数据冗余**:如果张三买了 100 本书,你得在每一行重复写张三的地址和电话。如果张三换了电话,你得修改 100 行。
这就是**单机文件型数据**的瓶颈:它只适合个人或小团队处理中等规模的数据。
### 1.3 当数据达到 1 亿条时:数据库时代
当你的书店变成了"亚马逊",你需要处理亿级的订单,成千上万的用户同时访问。这时,你就需要**数据库**。
**数据库,本质上就是一个"超级 Excel"**,但它专为**海量数据**、**高并发访问**和**数据安全**而设计。
**核心优势对比**:
| 特性 | 记事本 | Excel | 数据库 |
|------|--------|-------|--------|
| 数据量 | 极少 | 中等 (百万级) | 海量 (亿级+) |
| 并发访问 | 单人 | 单人/顺序 | 千人/万人在线 |
| 数据安全 | 低 | 中 | 高 (备份、事务) |
| 数据关系 | 无 | 弱 | 强 (关系型) |
| 查询速度 | 极慢 | 中等 | 极快 (毫秒级) |
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## 2. 数据库长什么样?从图书馆的视角理解关系模型
最流行的数据库类型是**关系型数据库 (Relational Database)**,比如 MySQL、PostgreSQL。它们的样子其实和 Excel 非常像,但概念更加严谨。
### 2.1 核心概念:图书馆的比喻
想象你是一个**图书馆管理员**。
| 数据库概念 | 图书馆类比 | 解释 |
|------------|------------|------|
| **数据库 (Database)** | 整座图书馆 | 存放所有数据的容器 |
| **表 (Table)** | 一个书架 | 存放同一类数据的集合,比如"用户书架"、"图书书架" |
| **列 (Column)** | 书脊上的标签 | 数据的属性,比如"书名"、"作者"、"出版日期" |
| **行 (Row)** | 书架上的每一本书 | 一条具体的数据记录,比如"《百年孤独》,马尔克斯,1967" |
| **主键 (Primary Key)** | 每本书的 ISBN 编号 | 唯一标识每一行的 ID,绝对不会重复 |
**举个例子**:
**用户表 (users)**:
| user_id (主键) | name | age | email |
|----------------|------|-----|-------|
| 1 | 张三 | 25 | zhangsan@example.com |
| 2 | 李四 | 30 | lisi@example.com |
| 3 | 王五 | 28 | wangwu@example.com |
- **表**:`users`(用户书架)
- **列**:`user_id`、`name`、`age`、`email`(书脊标签)
- **行**:每一行是一个用户(书架上的每本书)
- **主键**:`user_id`(ISBN 编号,1、2、3 永不重复)
### 2.2 关系 (Relation):数据库的灵魂
这是数据库比 Excel 强大的关键。
**Excel 的问题:数据冗余**
在 Excel 中,如果你要记录订单,可能会这样写:
| 订单号 | 书名 | 价格 | 购买者 | 购买者电话 | 购买者地址 |
|--------|------|------|--------|------------|------------|
| 001 | 百年孤独 | 59 | 张三 | 138xxxx | 北京 |
| 002 | 活着 | 39 | 张三 | 138xxxx | 北京 |
| 003 | 三体 | 99 | 张三 | 138xxxx | 北京 |
**问题**:
- 张三买了 100 本书,你得重复写 100 次他的电话和地址。
- 如果张三换了电话,你得修改 100 行,漏改一行就数据不一致了。
- 数据量爆炸,浪费存储空间。
**数据库的解决方案:拆表 + 关联**
数据库会把数据拆开,存到不同的表里,通过**关系**(外键)把它们连起来。
**用户表 (users)**:
| user_id (主键) | name | phone | address |
|----------------|------|-------|---------|
| 101 | 张三 | 138xxxx | 北京 |
| 102 | 李四 | 139xxxx | 上海 |
**订单表 (orders)**:
| order_id (主键) | book_name | price | user_id (外键) |
|-----------------|-----------|-------|----------------|
| 001 | 百年孤独 | 59 | 101 |
| 002 | 活着 | 39 | 101 |
| 003 | 三体 | 99 | 101 |
| 004 | 百年孤独 | 59 | 102 |
**关系解释**:
- `orders` 表里的 `user_id` 列,指向 `users` 表的 `user_id` 主键。
- 当我们要查看"订单 001 是谁买的"时,数据库会去 `users` 表里查找 `user_id = 101` 的行,发现是"张三"。
- 这种通过**外键 (Foreign Key)** 建立表与表之间联系的方式,就是**关系 (Relation)** 的含义。
**好处**:
- **节省空间**:张三的信息只存一次,不管他买多少本书。
- **数据一致**:张三换电话,只需要改 `users` 表一行,所有订单关联的电话自动更新。
- **灵活查询**:可以轻松回答复杂问题,比如"统计每个用户的总消费金额"。
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## 3. 如何和数据库说话?SQL 入门与实战
你不能直接用鼠标去点数据库(虽然有图形化工具,但本质也是转换成命令),你需要用一种特殊的、标准化的语言来指挥数据库工作。
这种语言就是 **SQL (Structured Query Language,结构化查询语言)**。
好消息是,SQL 非常接近自然英语,读起来就像一句话。
### 3.1 SQL 的核心命令:CRUD
大部分时候,你只需要掌握四种操作,江湖人称 **CRUD**:
| 操作 | 英文 | SQL 关键字 | 类比 Excel |
|------|------|------------|------------|
| **C**reate | 创建/插入 | `INSERT` | 在末尾新增一行 |
| **R**ead | 读取/查询 | `SELECT` | 筛选、查找 |
| **U**pdate | 更新/修改 | `UPDATE` | 修改单元格内容 |
| **D**elete | 删除 | `DELETE` | 删除一行 |
### 3.2 实战示例:淘宝订单系统
假设我们有以下两张表:
**用户表 (users)**:
| user_id | name | age | city |
|---------|------|-----|------|
| 1 | 张三 | 25 | 北京 |
| 2 | 李四 | 30 | 上海 |
| 3 | 王五 | 28 | 北京 |
**商品表 (products)**:
| product_id | name | price | stock |
|------------|------|-------|-------|
| 101 | iPhone 15 | 5999 | 1000 |
| 102 | MacBook Pro | 14999 | 500 |
| 103 | AirPods Pro | 1999 | 2000 |
#### 查询数据 (Read)
**示例 1**:查找所有年龄大于 25 岁的用户
```sql
SELECT name, age FROM users WHERE age > 25;
```
**逐词翻译**:
- `SELECT name, age`:选择 name 和 age 这两列
- `FROM users`:从 users 这张表
- `WHERE age > 25`:在 age 大于 25 的条件下
**返回结果**:
| name | age |
|------|-----|
| 李四 | 30 |
| 王五 | 28 |
**示例 2**:查找价格在 5000 到 15000 之间的商品
```sql
SELECT name, price FROM products WHERE price BETWEEN 5000 AND 15000;
```
#### 插入数据 (Create)
**示例**:新增一个用户
```sql
INSERT INTO users (user_id, name, age, city)
VALUES (4, '赵六', 35, '广州');
```
**逐词翻译**:
- `INSERT INTO users`:插入到 users 表
- `(user_id, name, age, city)`:这几列
- `VALUES (4, '赵六', 35, '广州')`:值分别是...
#### 更新数据 (Update)
**示例**:给所有北京的用户年龄加 1 岁
```sql
UPDATE users
SET age = age + 1
WHERE city = '北京';
```
**⚠️ 重要警告**:如果你忘记写 `WHERE city = '北京'`,这条命令会把**所有用户**的年龄都加 1!在生产环境中,这是一个极其危险的错误。
#### 删除数据 (Delete)
**示例**:删除用户 ID 为 4 的用户
```sql
DELETE FROM users WHERE user_id = 4;
```
**⚠️ 重要警告**:和 UPDATE 一样,如果忘记写 `WHERE`,你会删除整张表的所有数据!这在生产环境中是灾难性的。
### 3.3 多表查询:JOIN 的力量
还记得我们讲过的"关系"吗?SQL 最强大的地方在于可以一次性查询多张关联的表。
**示例场景**:查询"张三购买过的所有商品"
假设我们还有一张订单表 (orders):
| order_id | user_id | product_id | quantity | order_date |
|----------|---------|--------------|----------|------------|
| 1001 | 1 | 101 | 1 | 2024-01-15 |
| 1002 | 1 | 103 | 2 | 2024-01-16 |
| 1003 | 2 | 101 | 1 | 2024-01-17 |
**SQL 查询**:
```sql
SELECT u.name, p.name AS product_name, o.quantity, o.order_date
FROM orders o
JOIN users u ON o.user_id = u.user_id
JOIN products p ON o.product_id = p.product_id
WHERE u.name = '张三';
```
**返回结果**:
| name | product_name | quantity | order_date |
|------|--------------|----------|------------|
| 张三 | iPhone 15 | 1 | 2024-01-15 |
| 张三 | AirPods Pro | 2 | 2024-01-16 |
通过 `JOIN`,我们把三张表的数据关联在了一起,得到了完整的答案。
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## 4. 为什么数据库这么快?索引原理与 B+ 树揭秘
这是数据库最神奇的地方,也是面试中最爱问的问题。
如果你在 Excel 里找"所有姓张的人",Excel 可能需要从第一行扫到最后一行。这就是**全表扫描 (Full Table Scan)**——数据越多,速度越慢。
但在数据库里,即使有 10 亿行数据,查找也只需要几毫秒。
**秘诀就是:索引 (Index)。**
### 4.1 直观理解:字典的启示
想象你要在一本没有目录、没有页码的 1000 页书里找一个词。你该怎么办?
**只能一页一页翻**——这就是全表扫描。
但现在,你手里有一本**字典**。字典有一个按字母排序的**索引**。
你要找"数据库"这个词:
1. 翻到"数"字开头的区域(快速定位)。
2. 在"数"字区域内,按第二个字"据"的顺序找。
3. 很快,你就定位到了"数据库"这个词所在的页码。
这就是**索引查找**——不需要翻完整本书,只需要查索引,直接跳转到目标位置。
### 4.2 全表扫描 vs 索引查找
让我们通过一个具体的例子来感受两者的差异。
假设我们有一张用户表,里面有 1000 万条用户记录。
**场景:查找 ID = 5,555,555 的用户**
| 方式 | 过程 | 需要检查的行数 | 耗时(估算) |
|------|------|----------------|--------------|
| **全表扫描** | 从第 1 行开始,一行一行看,直到找到 ID = 5,555,555 | 平均 500 万行 | 数秒 ~ 数十秒 |
| **索引查找** | 查索引树,直接跳到目标位置 | 约 3-4 次比较 | 数毫秒 |
**速度差距**:数千倍甚至数万倍!
### 4.3 底层数据结构:B+ 树
真实的索引并不是简单的"字母排序列表",而是一种精心设计的数据结构,叫做 **B+ 树 (B+ Tree)**。
#### 为什么是"树"?
想象一棵倒过来的树:
- **根节点 (Root)**:在最顶层,像树干。
- **中间节点 (Internal Nodes)**:在树干和树叶之间,像树枝。
- **叶子节点 (Leaf Nodes)**:在最底层,像树叶,存储着真正的数据或数据地址。
#### B+ 树的特点:矮胖
B+ 树有一个非常聪明的设计:**它非常"矮胖"**。
- **矮**:从根到叶子,通常只有 3-4 层。
- **胖**:每个节点可以存储很多个键值(比如几百个)。
**为什么要"矮胖"?**
因为数据库的数据最终是存储在**磁盘**(硬盘或 SSD)上的。
每次从磁盘读取数据都需要**一次 I/O 操作**(磁盘寻道),这个操作相对于内存计算来说,非常**慢**(慢几千倍)。
所以,B+ 树的设计目标是:**尽量减少磁盘 I/O 次数**。
- **矮**:只有 3-4 层,意味着最多只需要 3-4 次磁盘读取就能找到数据。
- **胖**:每一层能容纳大量数据,保证树不会变高。
**实际例子**:
假设一棵 B+ 树的每个节点可以存储 1000 个键值:
- 根节点:1000 个键值 → 指向 1000 个中间节点
- 中间节点:每个存 1000 个键值 → 指向 1000 个叶子节点
- 叶子节点:每个存 1000 条真实数据
**总数据量** = 1000 × 1000 × 1000 = **10 亿条数据**
**树的高度** = **3 层**
这意味着,在一个存储了 10 亿条数据的 B+ 树索引中,找到任意一条数据,**只需要 3 次磁盘 I/O**!
这就是数据库查询飞快的秘密。
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## 5. 事务:当多人同时抢票时,系统如何保证不重复售票?
想象一下春运期间的 12306:
- 时间 T1:用户 A 查询,发现"G1234 次列车还剩 1 张票"。
- 时间 T2:用户 B 也查询,也发现"还剩 1 张票"。
- 时间 T3:用户 A 点击"购买",系统减库存,票卖给了 A。
- 时间 T4:用户 B 点击"购买"——如果没有保护机制,系统会再次减库存,把同一张票卖给 B!
这就是典型的**并发冲突**问题。
### 5.1 什么是事务 (Transaction)?
**事务**是数据库的一组操作,这些操作要么全部成功,要么全部失败,不会出现"做了一半"的情况。
事务有四大特性,简称 **ACID**:
| 特性 | 英文 | 含义 | 12306 的例子 |
|------|------|------|--------------|
| **A**tomicity | 原子性 | 操作要么全做,要么全不做 | 买票时扣款和出票必须同时成功,不能只扣钱不出票 |
| **C**onsistency | 一致性 | 数据始终保持合法状态 | 票卖完了,库存必须是 0,不能是负数 |
| **I**solation | 隔离性 | 多个事务互不影响 | A 在买票时,B 看到的结果应该是"已售罄"或"还剩 1 张",不会看到中间状态 |
| **D**urability | 持久性 | 一旦提交,数据永久保存 | 订单成功后,即使服务器宕机,已售出的票也不会丢失 |
### 5.2 事务的隔离级别:鱼与熊掌的权衡
理论上,我们希望事务完全隔离(最高的隔离性)。但在实际系统中,**完全隔离 = 性能极差**(因为需要大量加锁,其他事务只能等待)。
因此,数据库提供了四种**隔离级别**,让开发者根据业务场景权衡:
| 隔离级别 | 脏读 | 不可重复读 | 幻读 | 适用场景 |
|----------|------|------------|------|----------|
| **读未提交** | 可能 | 可能 | 可能 | 几乎不用(数据可能错误) |
| **读已提交** | 不可能 | 可能 | 可能 | 普通业务(Oracle 默认) |
| **可重复读** | 不可能 | 不可能 | 可能 | 银行转账(MySQL 默认) |
| **串行化** | 不可能 | 不可能 | 不可能 | 极端严格场景(极少用) |
**名词解释**:
- **脏读**:读到了其他事务还没提交的数据(可能回滚)。
- **不可重复读**:同一个事务里,两次读同一个数据,结果不一样(因为被其他事务修改了)。
- **幻读**:同一个事务里,两次查询,结果集的行数不一样(因为其他事务插入或删除了数据)。
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## 6. 性能优化:如何让你的查询快 1000 倍?
现在你已经理解了索引、事务这些核心概念。但在真实项目中,你可能会遇到这样的问题:
- "明明建了索引,为什么查询还是很慢?"
- "这条 SQL 昨天还很快,今天怎么突然卡死了?"
- "并发一高,数据库就挂了,怎么办?"
本节将给出**可直接落地的优化策略**。
### 6.1 索引使用避坑指南
**坑 1:在索引列上使用函数,导致索引失效**
```sql
-- 错误:对索引列使用函数,无法使用索引
SELECT * FROM users WHERE YEAR(created_at) = 2024;
-- 正确:改写为范围查询,可以使用索引
SELECT * FROM users WHERE created_at >= '2024-01-01' AND created_at < '2025-01-01';
```
**坑 2:隐式类型转换,导致索引失效**
```sql
-- 假设 user_id 是 int 类型
-- 错误:传字符串,可能导致隐式转换
SELECT * FROM users WHERE user_id = '123';
-- 正确:传对应类型
SELECT * FROM users WHERE user_id = 123;
```
**坑 3:LIKE 查询以 % 开头,无法使用索引**
```sql
-- 错误:以 % 开头,无法使用索引
SELECT * FROM users WHERE name LIKE '%张三%';
-- 正确:以固定前缀开头,可以使用索引
SELECT * FROM users WHERE name LIKE '张三%';
```
### 6.2 SQL 优化技巧模板
**模板 1:分页优化(深分页问题)**
```sql
-- 问题:当 OFFSET 很大时,查询会越来越慢
SELECT * FROM orders ORDER BY created_at DESC LIMIT 10 OFFSET 1000000;
-- 优化方案 1:使用覆盖索引
SELECT * FROM orders
WHERE created_at < '上次查询的最小时间戳'
ORDER BY created_at DESC LIMIT 10;
-- 优化方案 2:使用主键范围查询
SELECT * FROM orders
WHERE order_id > 上次查询的最大order_id
ORDER BY order_id LIMIT 10;
```
**模板 2:批量插入优化**
```sql
-- 低效:多次单条插入
INSERT INTO users (name, age) VALUES ('张三', 25);
INSERT INTO users (name, age) VALUES ('李四', 30);
-- 高效:单条 SQL 批量插入
INSERT INTO users (name, age) VALUES
('张三', 25),
('李四', 30),
('王五', 28);
```
**模板 3:避免 SELECT **
```sql
-- 低效:返回所有列
SELECT * FROM users WHERE user_id = 1;
-- 高效:只返回需要的列
SELECT user_id, name, email FROM users WHERE user_id = 1;
```
### 6.3 高并发场景应对策略
| 场景 | 问题 | 解决方案 |
|------|------|----------|
| 热点数据 | 某行数据被频繁读写,导致锁竞争 | 缓存 + 读写分离;或分段锁 |
| 秒杀场景 | 瞬间高并发扣减库存 | 乐观锁 + 库存预热 + 队列削峰 |
| 慢查询 | 复杂查询拖垮数据库 | 索引优化 + 查询拆分 + 读写分离 |
| 连接数耗尽 | 太多并发请求导致连接池耗尽 | 连接池优化 + 限流 + 服务降级 |
---
## 7. 总结与学习路线
现在你已经打通了从"Excel 表格"到"B+ 树索引"的任督二脉:
1. **数据库的本质**:处理海量数据的"超级 Excel",专为高并发、高安全、高性能而设计。
2. **数据的组织**:通过**表**、**列**、**行**、**主键**组织数据,通过**关系**(外键)连接多张表,消除冗余。
3. **SQL 语言**:使用 `SELECT`、`INSERT`、`UPDATE`、`DELETE` 等命令与数据库对话,通过 `JOIN` 实现多表查询。
4. **索引原理**:使用 **B+ 树**作为底层数据结构,通过"矮胖"的树形结构,将磁盘 I/O 次数降至最低,实现毫秒级查询。
5. **事务安全**:通过 **ACID 特性**和**隔离级别**,保证数据的一致性、完整性和并发安全。
6. **性能优化**:通过合理的索引设计、SQL 优化和高并发策略,让查询效率提升 1000 倍。
**下一步建议**:
- 如果你想动手实践,可以尝试安装 **MySQL** 或 **PostgreSQL**,亲手创建几张表,插入数据,体验 SQL 的强大。
- 如果你对后端开发感兴趣,可以学习如何使用 **ORM**(如 SQLAlchemy、Prisma)在代码中操作数据库,而不需要手写 SQL。
- 如果你想深入底层,可以研究 **InnoDB 存储引擎**的原理,了解事务、锁、MVCC 等高级概念。
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## 8. 名词速查表 (Glossary)
| 名词 | 英文 | 解释 |
|------|------|------|
| **数据库** | Database | 存储和管理数据的系统,专为海量数据、高并发访问而设计 |
| **关系型数据库** | Relational Database | 基于关系模型组织数据的数据库,如 MySQL、PostgreSQL |
| **表** | Table | 数据库中存储同一类数据的集合,由行和列组成 |
| **列** | Column | 表的垂直维度,代表数据的一个属性(如"姓名"、"年龄") |
| **行** | Row | 表的水平维度,代表一条具体的数据记录 |
| **主键** | Primary Key | 唯一标识表中每一行的列,值不能重复 |
| **外键** | Foreign Key | 建立表与表之间关联的列,指向另一张表的主键 |
| **关系** | Relation | 表与表之间通过主键和外键建立的关联 |
| **SQL** | Structured Query Language | 结构化查询语言,用于与数据库通信的标准语言 |
| **索引** | Index | 加速数据查询的数据结构,类似于书的目录 |
| **B+ 树** | B+ Tree | 数据库索引常用的数据结构,具有矮胖、有序、支持范围查询的特点 |
| **全表扫描** | Full Table Scan | 不通过索引,逐行扫描整张表的查询方式,效率低 |
| **磁盘 I/O** | Disk I/O | 从磁盘读取或写入数据的操作,相对于内存操作非常慢 |
| **事务** | Transaction | 一组数据库操作,要么全部成功,要么全部失败 |
| **ACID** | Atomicity, Consistency, Isolation, Durability | 事务的四大特性:原子性、一致性、隔离性、持久性 |
| **隔离级别** | Isolation Level | 事务并发时的隔离程度,分为读未提交、读已提交、可重复读、串行化 |
| **脏读** | Dirty Read | 读到了其他事务未提交的数据 |
| **不可重复读** | Non-repeatable Read | 同一事务内两次读取同一数据,结果不同 |
| **幻读** | Phantom Read | 同一事务内两次查询,结果集的行数不同 |