InnoDB 事務(wù)加鎖解析

2024-09-07 22:12:56

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供稿：網(wǎng)友

　　一般大家對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)的了解可能停留在事務(wù)的ACID特性以及事務(wù)4種不同的隔離級(jí)別層面上，而對(duì)于事務(wù) 4 種不同隔離級(jí)別如何實(shí)現(xiàn)了解相對(duì)較少。

　　本文以 MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù) InnoDB 引擎為例，為大家分析 InnoDB數(shù)據(jù)庫(kù)引擎對(duì)默認(rèn)的隔離級(jí)別可重復(fù)讀（RR）的具體實(shí)現(xiàn)。

　　整文知識(shí)點(diǎn)介紹：事務(wù)4種隔離級(jí)別、不同隔離級(jí)別解決的問題、MVCC、鎖的類型、加鎖案例分析；閱讀完整文相信大家對(duì)事務(wù)隔離級(jí)別的具體實(shí)現(xiàn)有了一定的認(rèn)識(shí)。

　　一、事務(wù)的隔離級(jí)別
　　1、4 種隔離級(jí)別
　　（1）未提交讀（Read uncommitted）：一個(gè)事務(wù)讀取到其他事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)，是級(jí)別最低的隔離機(jī)制；

　　（2）提交讀（Read committed)：一個(gè)事務(wù)讀取到其他事務(wù)提交后的數(shù)據(jù)；

　　（3）可重復(fù)讀（Repeatable read）：一個(gè)事務(wù)對(duì)同一份數(shù)據(jù)讀取到的相同，不在乎其他事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的修改；

　　（4）序列化（Serializable）：事務(wù)串行化執(zhí)行，隔離級(jí)別最高，犧牲了系統(tǒng)的并發(fā)性。

　　2、不同隔離級(jí)別解決的問題
　　若不考慮事務(wù)的隔離級(jí)別，則事務(wù)的并發(fā)會(huì)造成以下問題：

　　（1）臟讀：事務(wù)A讀取了事務(wù)B更新的數(shù)據(jù)，然后B回滾操作，那么A讀取到的數(shù)據(jù)是臟數(shù)據(jù)。

　　（2）不可重復(fù)讀：事務(wù) A 多次讀取同一數(shù)據(jù)，事務(wù) B 在事務(wù)A多次讀取的過程中，對(duì)數(shù)據(jù)作了更新并提交，導(dǎo)致事務(wù)A多次讀取同一數(shù)據(jù)時(shí)，結(jié)果不一致。

　　（3）幻讀：同一事務(wù)中對(duì)同一范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，結(jié)果卻多出了數(shù)據(jù)或者少了數(shù)據(jù)，這就叫幻讀。（如同一事務(wù)對(duì)id<10的范圍進(jìn)行2次查詢，第一次出現(xiàn)id=8、9的兩條數(shù)據(jù)，第二次出現(xiàn)id=7、8、9的3條數(shù)據(jù)）。

　　不可重復(fù)讀的和幻讀很容易混淆，不可重復(fù)讀側(cè)重于修改，幻讀側(cè)重于新增或刪除。解決不可重復(fù)讀的問題只需鎖住滿足條件的行，解決幻讀需要鎖表。

　　二、MVCC
　　上文提到 InnoDB 默認(rèn)的隔離級(jí)別是可重復(fù)讀（RR），InnoDB是通過MVCC（多版本并發(fā)控制）來實(shí)現(xiàn)可重復(fù)讀的，下面為大家介紹MVCC。

　　1、概念
　　在InnoDB中，給每行增加兩個(gè)隱藏字段來實(shí)現(xiàn)MVCC，一個(gè)用來記錄數(shù)據(jù)行的創(chuàng)建時(shí)間，另一個(gè)用來記錄行的過期時(shí)間（刪除時(shí)間）。在實(shí)際操作中，存儲(chǔ)的并不是時(shí)間，而是事務(wù)的版本號(hào)，每開啟一個(gè)新事務(wù)，事務(wù)的版本號(hào)就會(huì)遞增。

　　于是乎，默認(rèn)的隔離級(jí)別（REPEATABLE READ）下，增刪查改變成了這樣：

　　（1）SELECT

　　讀取創(chuàng)建版本小于或等于當(dāng)前事務(wù)版本號(hào)，并且刪除版本為空或大于當(dāng)前事務(wù)版本號(hào)的記錄。這樣可以保證在讀取之前記錄是存在的。
　　（2）INSERT

　　（3）UPDATE

　　新插入一行，并以當(dāng)前事務(wù)的版本號(hào)作為新行的創(chuàng)建版本號(hào)，同時(shí)將原記錄行的刪除版本號(hào)設(shè)置為當(dāng)前事務(wù)版本號(hào)。
　　（4）DELETE

　　2、快照讀和當(dāng)前讀
　　（1）快照讀：讀取的是快照版本，也就是歷史版本；

　　（2）當(dāng)前讀：讀取的是最新版本。

　　普通的SELECT就是快照讀，而UPDATE、DELETE、INSERT、SELECT ... LOCK IN SHARE MODE、SELECT ... FOR UPDATE是當(dāng)前讀。

　　（3）結(jié)論：如果隔離級(jí)別是REPEATABLE READ，那么在同一個(gè)事務(wù)中的所有普通select讀讀到的都是事務(wù)第一個(gè)讀到的快照，如此實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)讀；而對(duì)于當(dāng)前讀（UPDATE、DELETE、INSERT、SELECT ... LOCK IN SHARE MODE、SELECT ... FOR UPDATE），InnoDB 通過加鎖來實(shí)現(xiàn)可重復(fù)讀，且InnoDB 加鎖同時(shí)解決了幻讀問題。

　　三、鎖的類型
　　InnoDB 引入以下三種鎖類型：

　　Record Locks（記錄鎖）：在索引記錄上加鎖，即行鎖，鎖住當(dāng)前行。
　　Gap Locks（間隙鎖）：在索引記錄之間加鎖，或者在第一個(gè)索引記錄之前加鎖，或者在最后一個(gè)索引記錄之后加鎖。
　　Next-Key Locks：在索引記錄上加鎖，并且在索引記錄之前的間隙加鎖。它相當(dāng)于是Record Locks與Gap Locks的一個(gè)結(jié)合。
　　假設(shè)一個(gè)索引包含以下幾個(gè)值：10,11,13,20。那么這個(gè)索引的next-key鎖將會(huì)覆蓋以下區(qū)間：(-oo, 10]、(10, 11]、(11, 13]、(13, 20]、(20, +oo)。

　　MySQL InnoDB 通過間隙鎖解決了幻讀問題。以下通過實(shí)際的案例分析來介紹InnoDB 是如果解決幻讀問題的。

　　四、案例分析
　　在對(duì)SQL進(jìn)行加鎖分析前，需要明確表的結(jié)構(gòu)和索引類型。在不知道索引的情況下直接給出一條SQL來分析如果加鎖是沒有任何意義的。

　　以下以用戶表（t_user）為例（id為主鍵，name為唯一索引，age為一般索引，address無索引）分析不同索引條件的加鎖表現(xiàn)。

　　1、主鍵索引
　　例：delete from t_user where id=120;

　　此種情況下，其他事務(wù)除了不能刪除、更新此條記錄外，其他插入其他行、更新其他行都行。

　　2、唯一索引
　　例：delete from t_user where name='n20';
　　條件為唯一索引，鎖住索引記錄，同時(shí)鎖住聚簇索引中的對(duì)應(yīng)行記錄：

　　3、一般索引
　　例：delete from t_user where age=20;
　　與主鍵和唯一索引不同的是，一般索引的記錄是允許重復(fù)的；換句話說，如果我們單純地給索引加記錄鎖時(shí)，其他事務(wù)依然可以插入，也就有可能出現(xiàn)幻讀問題了。

　　所以除了給對(duì)應(yīng)索引記錄加上記錄鎖之外，還要給Gap加上鎖。

　　從上面知識(shí)點(diǎn)我們可以預(yù)估這個(gè)操作一共需要的鎖：

　　age索引記錄鎖(Record Lock) ： 20_120, 20_130（以下均用age_id這種形式表示索引值）
　　age索引間隙鎖(Gap X-Lock)： (10, 20)、(20, 20)、(20, 40)
　　聚簇索引上的記錄鎖(Record X-Lock)： id=120/130對(duì)應(yīng)的行記錄
　　SQL驗(yàn)證：

　　根據(jù)實(shí)際情況，3-6均符合我們預(yù)期，然而7和8則超出了我們預(yù)期的鎖范圍。為什么會(huì)超出我們預(yù)期呢？此次我們進(jìn)行分析一下：

　　從7、8插入語句來看，由于id為自增主鍵，會(huì)自動(dòng)遞增，語句7插入值預(yù)計(jì)為：10_141；

　　語句8插入值預(yù)計(jì)為：40_141，為什么只有后者能插入呢？
　　其實(shí)我們可以將B+樹中的間隙理解得更加精準(zhǔn)一點(diǎn)：

　　age=20的三個(gè)間隙應(yīng)該為：(10_110, 20_120)、(20_120, 20_130)、(20_130, 40_140)；

　　可以看出語句7插入值10_141 無法插入，因?yàn)殚g隙被鎖住了；而語句8插入 40_141值因?yàn)樵陂g隙之外了，無鎖沖突，允許插入。

　　所以最終的加鎖情況應(yīng)該這樣表示：

　　age索引記錄鎖(Record Lock) ：20_120, 20_130
　　age索引間隙鎖(Gap X-Lock)：(10_110, 20_120)、(20_120, 20_130)、(20_130, 40_140)
　　聚簇索引上的記錄鎖(Record X-Lock)：id=120/130對(duì)應(yīng)的行記錄
　　4、無索引
　　delete from t_user where address='a20'，因?yàn)闊o法精準(zhǔn)定位，InnoDB選擇將聚簇索引中的所有行以及間隙都鎖起來，功能上已經(jīng)等于鎖表了：

　　5、結(jié)論
　　InnoDB 在RC（READ COMMITTED）隔離級(jí)別中，只會(huì)在對(duì)應(yīng)的索引/行記錄上加Record Lock，而不會(huì)加Gap鎖，原因也很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵摳綦x級(jí)別是允許存在幻讀問題的。

　　在RR級(jí)別下的加鎖方式稱之為Next-Key Locks，其實(shí)就是上述Record Locks和Gap Locks的結(jié)合。比如Gap Lock為(10,20) ,record lock為20，結(jié)合的Next-Key lock 為：(10, 20]。

　　分析Next-Key Locks其實(shí)就是要分析Record Locks和Gap Locks。MySQL InnoDB的可重復(fù)讀并不保證避免幻讀，需要應(yīng)用使用加鎖讀來保證。而這個(gè)加鎖讀使用到的機(jī)制就是next-key locks。

　　如果使用普通的讀，會(huì)得到一致性的結(jié)果，如果使用了加鎖的讀，就會(huì)讀到“最新的”“提交”讀的結(jié)果。本身，可重復(fù)讀和提交讀是矛盾的。在同一個(gè)事務(wù)里，如果保證了可重復(fù)讀，

　　就會(huì)看不到其他事務(wù)的提交，違背了提交讀；如果保證了提交讀，就會(huì)導(dǎo)致前后兩次讀到的結(jié)果不一致，違背了可重復(fù)讀。可以這么講，InnoDB提供了這樣的機(jī)制，在默認(rèn)的可重復(fù)讀的隔離級(jí)別里，可以使用加鎖讀去查詢最新的數(shù)據(jù)。

（編輯：武林網(wǎng)）

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