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MySQL老大難事務(wù)和鎖,一次性講清楚!

2023-11-24    分類: 網(wǎng)站建設(shè)

眾所周知,事務(wù)和鎖是mysql中非常重要功能,同時也是面試的重點和難點。本文會詳細介紹事務(wù)和鎖的相關(guān)概念及其實現(xiàn)原理,相信大家看完之后,一定會對事務(wù)和鎖有更加深入的理解。
本文主要內(nèi)容是根據(jù)掘金小冊《從根兒上理解 MySQL》整理而來。如想詳細了解,建議購買掘金小冊閱讀。

什么是事務(wù)

在維基百科中,對事務(wù)的定義是:事務(wù)是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DbMS)執(zhí)行過程中的一個邏輯單位,由一個有限的數(shù)據(jù)庫操作序列構(gòu)成。

事務(wù)的四大特性

事務(wù)包含四大特性,即原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔離性(Isolation)和持久性(Durability)(ACID)。
  1. 原子性(Atomicity) 原子性是指對數(shù)據(jù)庫的一系列操作,要么全部成功,要么全部失敗,不可能出現(xiàn)部分成功的情況。以轉(zhuǎn)賬場景為例,一個賬戶的余額減少,另一個賬戶的余額增加,這兩個操作一定是同時成功或者同時失敗的。
  2. 一致性(Consistency) 一致性是指數(shù)據(jù)庫的完整性約束沒有被破壞,在事務(wù)執(zhí)行前后都是合法的數(shù)據(jù)狀態(tài)。這里的一致可以表示數(shù)據(jù)庫自身的約束沒有被破壞,比如某些字段的唯一性約束、字段長度約束等等;還可以表示各種實際場景下的業(yè)務(wù)約束,比如上面轉(zhuǎn)賬操作,一個賬戶減少的金額和另一個賬戶增加的金額一定是一樣的。
  3. 隔離性(Isolation) 隔離性指的是多個事務(wù)彼此之間是完全隔離、互不干擾的。隔離性的最終目的也是為了保證一致性。
  4. 持久性(Durability) 持久性是指只要事務(wù)提交成功,那么對數(shù)據(jù)庫做的修改就被永久保存下來了,不可能因為任何原因再回到原來的狀態(tài)。

事務(wù)的狀態(tài)

根據(jù)事務(wù)所處的不同階段,事務(wù)大致可以分為以下5個狀態(tài):
  1. 活動的(active) 當事務(wù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作正在執(zhí)行過程中,則該事務(wù)處于活動狀態(tài)。
  2. 部分提交的(partially committed) 當事務(wù)中的最后一個操作執(zhí)行完成,但還未將變更刷新到磁盤時,則該事務(wù)處于部分提交狀態(tài)。
  3. 失敗的(failed) 當事務(wù)處于活動或者部分提交狀態(tài)時,由于某些錯誤導致事務(wù)無法繼續(xù)執(zhí)行,則事務(wù)處于失敗狀態(tài)。
  4. 中止的(aborted) 當事務(wù)處于失敗狀態(tài),且回滾操作執(zhí)行完畢,數(shù)據(jù)恢復到事務(wù)執(zhí)行之前的狀態(tài)時,則該事務(wù)處于中止狀態(tài)。
  5. 提交的(committed) 當事務(wù)處于部分提交狀態(tài),并且將修改過的數(shù)據(jù)都同步到磁盤之后,此時該事務(wù)處于提交狀態(tài)。
事務(wù)狀態(tài)

事務(wù)隔離級別

前面提到過,事務(wù)必須具有隔離性。實現(xiàn)隔離性最簡單的方式就是不允許事務(wù)并發(fā),每個事務(wù)都排隊執(zhí)行,但是這種方式性能實在太差了。為了兼顧事務(wù)的隔離性和性能,事務(wù)支持不同的隔離級別。
為了方便表述后續(xù)的內(nèi)容,我們先建一張示例表hero
CREATE table hero (    number INT,    name VARCHAR(100),    country varchar(100),    pRIMARY KEY (number)) Engine=InnoDb CHARSET=utf8;

事務(wù)并發(fā)執(zhí)行遇到的問題

在事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時,如果不進行任何控制,可能會出現(xiàn)以下4類問題:
  • 臟寫(Dirty Write) 臟寫是指一個事務(wù)修改了其它事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)。

    如上圖,Session ASession b各開啟了一個事務(wù),Session b中的事務(wù)先將number列為1的記錄的name列更新為'關(guān)羽',然后Session A中的事務(wù)接著又把這條number列為1的記錄的name列更新為張飛。如果之后Session b中的事務(wù)進行了回滾,那么Session A中的更新也將不復存在,這種現(xiàn)象就稱之為臟寫。
  • 臟讀(Dirty Read) 臟讀是指一個事務(wù)讀到了其它事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)。

    如上圖,Session ASession b各開啟了一個事務(wù),Session b中的事務(wù)先將number列為1的記錄的name列更新為'關(guān)羽',然后Session A中的事務(wù)再去查詢這條number為1的記錄,如果讀到列name的值為'關(guān)羽',而Session b中的事務(wù)稍后進行了回滾,那么Session A中的事務(wù)相當于讀到了一個不存在的數(shù)據(jù),這種現(xiàn)象就稱之為臟讀。
  • 不可重復讀(Non-Repeatable Read) 不可重復讀指的是在一個事務(wù)執(zhí)行過程中,讀取到其它事務(wù)已提交的數(shù)據(jù),導致兩次讀取的結(jié)果不一致。

    如上圖,我們在Session b中提交了幾個隱式事務(wù)(mysql會自動為增刪改語句加事務(wù)),這些事務(wù)都修改了number列為1的記錄的列name的值,每次事務(wù)提交之后,如果Session A中的事務(wù)都可以查看到最新的值,這種現(xiàn)象也被稱之為不可重復讀。
  • 幻讀(phantom) 幻讀是指的是在一個事務(wù)執(zhí)行過程中,讀取到了其他事務(wù)新插入數(shù)據(jù),導致兩次讀取的結(jié)果不一致。

    如上圖,Session A中的事務(wù)先根據(jù)條件number > 0這個條件查詢表hero,得到了name列值為'劉備'的記錄;之后Session b中提交了一個隱式事務(wù),該事務(wù)向表hero中插入了一條新記錄;之后Session A中的事務(wù)再根據(jù)相同的條件number > 0查詢表hero,得到的結(jié)果集中包含Session b中的事務(wù)新插入的那條記錄,這種現(xiàn)象也被稱之為幻讀。
不可重復讀和幻讀的區(qū)別在于不可重復讀是讀到的是其他事務(wù)修改或者刪除的數(shù)據(jù),而幻讀讀到的是其它事務(wù)新插入的數(shù)據(jù)。
臟寫的問題太嚴重了,任何隔離級別都必須避免。其它無論是臟讀,不可重復讀,還是幻讀,它們都屬于數(shù)據(jù)庫的讀一致性的問題,都是在一個事務(wù)里面前后兩次讀取出現(xiàn)了不一致的情況。

四種隔離級別

SQL標準中設(shè)立了4種隔離級別,用來解決上面的讀一致性問題。不同的隔離級別可以解決不同的讀一致性問題。
  • READ UNCOMMITTED:未提交讀。
  • READ COMMITTED:已提交讀。
  • REpEAtable READ:可重復讀。
  • SERIALIZAbLE:串行化。
各個隔離級別下可能出現(xiàn)的讀一致性問題如下:
隔離級別
臟讀
不可重復讀
幻讀
未提交讀(READ UNCOMMITTED)
可能
可能
可能
已提交讀(READ COMMITTED)
不可能
可能
可能
可重復讀(REpEAtable READ)
不可能
不可能
可能(對InnoDb不可能)
串行化(SERIALIZAbLE)
不可能
不可能
不可能
InnoDb支持四個隔離級別(和SQL標準定義的基本一致)。隔離級別越高,事務(wù)的并發(fā)度就越低。唯一的區(qū)別就在于,InnoDb 在可重復讀(REpEAtable READ)的級別就解決了幻讀的問題。這也是InnoDb使用可重復讀 作為事務(wù)默認隔離級別的原因。

MVCC

MVCC(Multi Version Concurrency Control),中文名是多版本并發(fā)控制,簡單來說就是通過維護數(shù)據(jù)歷史版本,從而解決并發(fā)訪問情況下的讀一致性問題。

版本鏈

InnoDb中,每行記錄實際上都包含了兩個隱藏字段:事務(wù)id(trx_id)和回滾指針(roll_pointer)。
  1. trx_id:事務(wù)id。每次修改某行記錄時,都會把該事務(wù)的事務(wù)id賦值給trx_id隱藏列。
  2. roll_pointer:回滾指針。每次修改某行記錄時,都會把undo日志地址賦值給roll_pointer隱藏列。
假設(shè)hero表中只有一行記錄,當時插入的事務(wù)id為80。此時,該條記錄的示例圖如下:

假設(shè)之后兩個事務(wù)id分別為100、200的事務(wù)對這條記錄進行UpDATE操作,操作流程如下:

由于每次變動都會先把undo日志記錄下來,并用roll_pointer指向undo日志地址。因此可以認為,對該條記錄的修改日志串聯(lián)起來就形成了一個版本鏈,版本鏈的頭節(jié)點就是當前記錄最新的值。如下:

ReadView

如果數(shù)據(jù)庫隔離級別是未提交讀(READ UNCOMMITTED),那么讀取版本鏈中最新版本的記錄即可。如果是是串行化(SERIALIZAbLE),事務(wù)之間是加鎖執(zhí)行的,不存在讀不一致的問題。但是如果是已提交讀(READ COMMITTED)或者可重復讀(REpEAtable READ),就需要遍歷版本鏈中的每一條記錄,判斷該條記錄是否對當前事務(wù)可見,直到找到為止(遍歷完還沒找到就說明記錄不存在)。InnoDb通過ReadView實現(xiàn)了這個功能。ReadView中主要包含以下4個內(nèi)容:
  • m_ids:表示在生成ReadView時當前系統(tǒng)中活躍的讀寫事務(wù)的事務(wù)id列表。
  • min_trx_id:表示在生成ReadView時當前系統(tǒng)中活躍的讀寫事務(wù)中最小的事務(wù)id,也就是m_ids中的最小值。
  • max_trx_id:表示生成ReadView時系統(tǒng)中應(yīng)該分配給下一個事務(wù)的id值。
  • creator_trx_id:表示生成該ReadView事務(wù)的事務(wù)id。
有了ReadView之后,我們可以基于以下步驟判斷某個版本的記錄是否對當前事務(wù)可見。
  1. 如果被訪問版本的trx_id屬性值與ReadView中的creator_trx_id值相同,意味著當前事務(wù)在訪問它自己修改過的記錄,所以該版本可以被當前事務(wù)訪問。
  2. 如果被訪問版本的trx_id屬性值小于ReadView中的min_trx_id值,表明生成該版本的事務(wù)在當前事務(wù)生成ReadView前已經(jīng)提交,所以該版本可以被當前事務(wù)訪問。
  3. 如果被訪問版本的trx_id屬性值大于或等于ReadView中的max_trx_id值,表明生成該版本的事務(wù)在當前事務(wù)生成ReadView后才開啟,所以該版本不可以被當前事務(wù)訪問。
  4. 如果被訪問版本的trx_id屬性值在ReadViewmin_trx_idmax_trx_id之間,那就需要判斷一下trx_id屬性值是不是在m_ids列表中,如果在,說明創(chuàng)建ReadView時生成該版本的事務(wù)還是活躍的,該版本不可以被訪問;如果不在,說明創(chuàng)建ReadView時生成該版本的事務(wù)已經(jīng)被提交,該版本可以被訪問。
MySQL中,READ COMMITTEDREpEAtable READ隔離級別的的一個非常大的區(qū)別就是它們生成ReadView的時機不同。READ COMMITTED在每次讀取數(shù)據(jù)前都會生成一個ReadView,這樣就能保證每次都能讀到其它事務(wù)已提交的數(shù)據(jù)。REpEAtable READ 只在第一次讀取數(shù)據(jù)時生成一個ReadView,這樣就能保證后續(xù)讀取的結(jié)果完全一致。

事務(wù)并發(fā)訪問同一數(shù)據(jù)資源的情況主要就分為讀-讀寫-寫讀-寫三種。
  1. 讀-讀 即并發(fā)事務(wù)同時訪問同一行數(shù)據(jù)記錄。由于兩個事務(wù)都進行只讀操作,不會對記錄造成任何影響,因此并發(fā)讀完全允許。
  2. 寫-寫 即并發(fā)事務(wù)同時修改同一行數(shù)據(jù)記錄。這種情況下可能導致臟寫問題,這是任何情況下都不允許發(fā)生的,因此只能通過加鎖實現(xiàn),也就是當一個事務(wù)需要對某行記錄進行修改時,首先會先給這條記錄加鎖,如果加鎖成功則繼續(xù)執(zhí)行,否則就排隊等待,事務(wù)執(zhí)行完成或回滾會自動釋放鎖。
  3. 讀-寫 即一個事務(wù)進行讀取操作,另一個進行寫入操作。這種情況下可能會產(chǎn)生臟讀不可重復讀、幻讀。最好的方案是讀操作利用多版本并發(fā)控制(MVCC),寫操作進行加鎖。

鎖的粒度

按鎖作用的數(shù)據(jù)范圍進行分類的話,鎖可以分為行級鎖表級鎖
  1. 行級鎖:作用在數(shù)據(jù)行上,鎖的粒度比較小。
  2. 表級鎖:作用在整張數(shù)據(jù)表上,鎖的粒度比較大。

鎖的分類

為了實現(xiàn)讀-讀之間不受影響,并且寫-寫、讀-寫之間能夠相互阻塞,Mysql使用了讀寫鎖的思路進行實現(xiàn),具體來說就是分為了共享鎖排它鎖
  1. 共享鎖(Shared Locks):簡稱S鎖,在事務(wù)要讀取一條記錄時,需要先獲取該記錄的S鎖S鎖可以在同一時刻被多個事務(wù)同時持有。我們可以用select ...... lock in share mode;的方式手工加上一把S鎖
  2. 排他鎖(Exclusive Locks):簡稱X鎖,在事務(wù)要改動一條記錄時,需要先獲取該記錄的X鎖。X鎖在同一時刻最多只能被一個事務(wù)持有。X鎖的加鎖方式有兩種,第一種是自動加鎖,在對數(shù)據(jù)進行增刪改的時候,都會默認加上一個X鎖。還有一種是手工加鎖,我們用一個FOR UpDATE給一行數(shù)據(jù)加上一個X鎖。
還需要注意的一點是,如果一個事務(wù)已經(jīng)持有了某行記錄的S鎖,另一個事務(wù)是無法為這行記錄加上X鎖的,反之亦然。
除了共享鎖(Shared Locks)排他鎖(Exclusive Locks)Mysql還有意向鎖(Intention Locks)。意向鎖是由數(shù)據(jù)庫自己維護的,一般來說,當我們給一行數(shù)據(jù)加上共享鎖之前,數(shù)據(jù)庫會自動在這張表上面加一個意向共享鎖(IS鎖);當我們給一行數(shù)據(jù)加上排他鎖之前,數(shù)據(jù)庫會自動在這張表上面加一個意向排他鎖(IX鎖)。意向鎖可以認為是S鎖X鎖在數(shù)據(jù)表上的標識,通過意向鎖可以快速判斷表中是否有記錄被上鎖,從而避免通過遍歷的方式來查看表中有沒有記錄被上鎖,提升加鎖效率。例如,我們要加表級別的X鎖,這時候數(shù)據(jù)表里面如果存在行級別的X鎖或者S鎖的,加鎖就會失敗,此時直接根據(jù)意向鎖就能知道這張表是否有行級別的X鎖或者S鎖

InnoDb中的表級鎖

InnoDb中的表級鎖主要包括表級別的意向共享鎖(IS鎖)意向排他鎖(IX鎖)以及自增鎖(AUTO-INC鎖)。其中IS鎖IX鎖在前面已經(jīng)介紹過了,這里不再贅述,我們接下來重點了解一下AUTO-INC鎖。
大家都知道,如果我們給某列字段加了AUTO_INCREMENT自增屬性,插入的時候不需要為該字段指定值,系統(tǒng)會自動保證遞增。系統(tǒng)實現(xiàn)這種自動給AUTO_INCREMENT修飾的列遞增賦值的原理主要是兩個:
  1. AUTO-INC鎖:在執(zhí)行插入語句的時先加上表級別的AUTO-INC鎖,插入執(zhí)行完成后立即釋放鎖。如果我們的插入語句在執(zhí)行前無法確定具體要插入多少條記錄,比如INSERT ... SELECT這種插入語句,一般采用AUTO-INC鎖的方式。
  2. 輕量級鎖:在插入語句生成AUTO_INCREMENT值時先才獲取這個輕量級鎖,然后在AUTO_INCREMENT值生成之后就釋放輕量級鎖。如果我們的插入語句在執(zhí)行前就可以確定具體要插入多少條記錄,那么一般采用輕量級鎖的方式對AUTO_INCREMENT修飾的列進行賦值。這種方式可以避免鎖定表,可以提升插入性能。
mysql默認根據(jù)實際場景自動選擇加鎖方式,當然也可以通過innodb_autoinc_lock_mode強制指定只使用其中一種。

InnoDb中的行級鎖

前面說過,通過MVCC可以解決臟讀、不可重復讀、幻讀這些讀一致性問題,但實際上這只是解決了普通select語句的數(shù)據(jù)讀取問題。事務(wù)利用MVCC進行的讀取操作稱之為快照讀,所有普通的SELECT語句在READ COMMITTED、REpEAtable READ隔離級別下都算是快照讀。除了快照讀之外,還有一種是鎖定讀,即在讀取的時候給記錄加鎖,在鎖定讀的情況下依然要解決臟讀、不可重復讀幻讀的問題。由于都是在記錄上加鎖,這些鎖都屬于行級鎖。
InnoDb的行鎖,是通過鎖住索引來實現(xiàn)的,如果加鎖查詢的時候沒有使用過索引,會將整個聚簇索引都鎖住,相當于鎖表了。根據(jù)鎖定范圍的不同,行鎖可以使用記錄鎖(Record Locks)、間隙鎖(Gap Locks)臨鍵鎖(Next-Key Locks)的方式實現(xiàn)。假設(shè)現(xiàn)在有一張表t,主鍵是id。我們插入了4行數(shù)據(jù),主鍵值分別是 1、4、7、10。接下來我們就以聚簇索引為例,具體介紹三種形式的行鎖。
  • 記錄鎖(Record Locks) 所謂記錄,就是指聚簇索引中真實存放的數(shù)據(jù),比如上面的1、4、7、10都是記錄。

    顯然,記錄鎖就是直接鎖定某行記錄。當我們使用唯一性的索引(包括唯一索引和聚簇索引)進行等值查詢且精準匹配到一條記錄時,此時就會直接將這條記錄鎖定。例如select * from t where id =4 for update;就會將0.17391304347826086" data-type="jpeg" data-w="713" src="/uploads/ueditor/20210420/1-210420155R2422.jpg?"  data-backw="552" data-backh="96"  />
    同理,間隙鎖就是鎖定某些間隙區(qū)間的。當我們使用用等值查詢或者范圍查詢,并且沒有命中任何一個record,此時就會將對應(yīng)的間隙區(qū)間鎖定。例如select * from t where id =3 for update;或者select * from t where id > 1 and id < 4 for update;就會將(1,4)區(qū)間鎖定。
  • 臨鍵鎖(Next-Key Locks) 臨鍵指的是間隙加上它右邊的記錄組成的左開右閉區(qū)間。比如上述的(1,4]、(4,7]等。

    臨鍵鎖就是記錄鎖(Record Locks)和間隙鎖(Gap Locks)的結(jié)合,即除了鎖住記錄本身,還要再鎖住索引之間的間隙。當我們使用范圍查詢,并且命中了部分record記錄,此時鎖住的就是臨鍵區(qū)間。注意,臨鍵鎖鎖住的區(qū)間會包含最后一個record的右邊的臨鍵區(qū)間。例如select * from t where id > 5 and id <= 7 for update;會鎖住(4,7]、(7,+∞)。mysql默認行鎖類型就是臨鍵鎖(Next-Key Locks)。當使用唯一性索引,等值查詢匹配到一條記錄的時候,臨鍵鎖(Next-Key Locks)會退化成記錄鎖;沒有匹配到任何記錄的時候,退化成間隙鎖。
間隙鎖(Gap Locks)臨鍵鎖(Next-Key Locks)都是用來解決幻讀問題的,在已提交讀(READ COMMITTED)隔離級別下,間隙鎖(Gap Locks)臨鍵鎖(Next-Key Locks)都會失效!

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