Mysql技术内幕之InnoDB锁探究

时间：2022-06-25 22:12:50

　　　　自7月份换工作以来，期间一直在学习MySQL的相关知识，听了一些视频课，但是一直好奇那些讲师的知识是从哪里学习的。于是想着从书籍中找答案。毕竟一直

看视频也不是办法，不能形成自己的知识。于是想着看书汲取知识，看了几本MySQL的相关书籍，包括《深入浅出Mysql》《高性能Mysql》《Mysql技术内幕》,发现那些讲

师讲的内容确实都在书上有出现过，于是确信看书才是正确的汲取知识方式。本片主要记录了Mysql的锁机制的学习。

1.什么是锁

　　锁是计算机协调多个进程或线程并发访问某一资源的机制。在数据库中，除传统的计算资源（如CPU、RAM、I/O等）的争用以外，数据也是一种供许多用户共享的资源。

如何保证数据并发访问的一致性、有效性是所有数据库必须解决的一个问题，锁冲突也是影响数据库并发访问性能的一个重要因素。

　　相对其他数据库而言，MySQL 的锁机制比较简单，其最显著的特点是不同的存储引擎支持不同的锁机制。比如，MyISAM和MEMORY存储引擎采用的是表级锁（table-level

locking）；BDB存储引擎采用的是页面锁（page-levellocking），但也支持表级锁；InnoDB存储引擎既支持行级锁（row-levellocking），也支持表级锁，但默认情况下是采用行级锁。

MySQL这3种锁的特性可大致归纳如下。

  • 表级锁：开销小，加锁快；不会出现死锁；锁定粒度大，发生锁冲突的概率最高,并发度最低。

  • 行级锁：开销大，加锁慢；会出现死锁；锁定粒度最小，发生锁冲突的概率最低,并发度也最高。

  • 页面锁：开销和加锁时间界于表锁和行锁之间；会出现死锁；锁定粒度界于表锁和行锁之间，并发度一般。

3种锁的使用角度：

  • 表级锁更适合于以查询为主，只有少量按索引条件更新数据的应用，如Web应用；

  • 行级锁则更适合于有大量按索引条件并发更新少量不同数据，同时又有并发查询的应用，如一些在线事务处理（OLTP）系统。

  • BDB的页面锁已经被InnoDB取代，不做讨论。

2.InnoDB存储引擎中的锁

2.1锁的类型

InnoDB存储引擎实现了如下两种标准的行级锁：

  • 共享锁（S Lock），允许事务读一行数据。

  • 排他锁（X Lock），允许事务删除或更新一行数据。

如果一个事务T1已经获得了行r的共享锁，那么另外的事务T2可以立即获得行r的共享锁，因为读取没有改变行r的数据，称这种情况

为锁兼容(Lock Compatible)。但若有其他的事务T3想获得行r的排他锁，则其必须等待事务T1、T2释放行r的共享锁——这种情况称为锁不兼容。

  X S
X 不兼容 不兼容
S 不兼容 兼容

此外，InnoDB存储引擎支持多粒度锁定，这种锁定允许事务在行级上锁和表锁上的锁同时存在。为了支持在不同粒度上进行加锁操作，InnoDB存

储引擎支持一种额外的锁方式，称之为意向锁。意向锁是将锁定的对象分为多个层次，意向锁意味着事务希望在更细粒度上进行加锁。 ​ InnoDB存

储引擎支持意向锁设计比较简练，其意向锁即为表级别的锁。设计目的主要是为了在一个事务中揭示下一行将被请求的锁类型。其支持两种意向锁：

  • 意向共享锁（IS Lock），事务想要获得一张表中某几行的共享锁

  • 意向排他锁（IX Lock），事务想要获得一张表中某几行的排他锁

2.2 一致性非锁定读

一致性的非锁定读（consistant nonlocking read）是指InnoDB存储引擎通过多版本控制（multi versioning）的方法来读取当前执行时间数据库中行的

数据。如果读取的行正在执行Delete或Update操作，这时读取操作不会因此去等待行上锁的释放。相反地，InnoDB存储引擎会去读取行的一个快照

版本。如下如所示。

Mysql技术内幕之InnoDB锁探究

Mysql技术内幕之InnoDB锁探究

上图直观地展现了InnoDB存储引擎一致性的非锁定读。之所以称为非锁定读，因为不需要等待访问的行上X锁的释放。快照数据是指该行的之前版本

的数据，该实现是通过undo段来完成。而undo用来在事务中回滚数据，因此快照数据本身是没有额外的开销。此外，读取快照数据是不需要上锁的，

因为没有事务需要对历史的数据进行修改操作。

通过上图可以知道，快照数据其实就是当前行数据之前的历史版本，每行记录可能有多个版本，一般称这种技术为行多版本技术。由此带来的并发控制，

称之为多版本并发控制（Multi Version Concurrency Control, MVCC）。

在事务隔离级别READ COMMITTED和REPEATABLE READ下，InnoDB存储引擎使用非锁定的一致性读。然而，对于快照数据的定义却不相同。在READ

COMMITTED事务隔离级别下，对于快照数据，非一致性读总是读取被锁定行的最新一份快照数据。而在REPEATABLE READ事务隔离级别下，对于快照

数据，非一致性读总是读取事务开始时的行数据版本。如下表所示示例：

时间 会话A 会话B
1 begin  
2 select * from t_user where id = 1;  
3   begin
4   update t_user set id = 10 where id = 1;
5 select * from t_user where id = 1;  
6   commit;
7 select * from t_user where id = 1;  
8 commit;  

假设原本id = 1的记录是存在的，大家可以按上表时间顺序执行对应的会话，比较及验证2者的不同。

2.3 一致性锁定读

在默认配置下，在事务的隔离级别为REPEATABLE READ模式下，InnoDB存储引擎的select操作使用一致性非锁定读。但是在某些情况下，用户需要显示地

对数据库读取操作进行加锁以保证数据逻辑的一致性。而这要求数据库支持加锁语句，即使时对于select的只读操作。InnoDB存储引擎对于select语句支持两

种一致性的锁定读（locking read）操作：

  • select ··· for update

  • select ··· lock in share mode

select ··· for update对读取的行记录加一个X锁，其他事务不能对已锁定的行加上任何锁。select ··· lock in share mode对读取的行记录加一个S锁，其他事务可

以向被锁定的行加S锁，但是如果加X锁，则会被阻塞。

对于一致性非锁定读，即使读取的行已被执行了select ··· for update，也是可以进行读取的。此外，select ··· for update或者select ··· lock in share mode必须在

一个事务中，当事务提交了，锁也就释放了。因此在使用上述两种select锁定语句时，务必加上begin,start transaction或者set autocommit=0。

3 锁的算法

3.1行锁的3中算法

InnoDB存储引擎有3种行锁的算法，其分别是：

  • Record Lock：单个行记录上的锁

  • Gap Lock：间隙锁，锁定一个范围，但不包含记录本身

  • Next-Key Lock：Gap Lock + Record Lock，锁定一个范围，并且锁定记录本身

　　Record Lock总是会去锁住主键索引记录，如果InnoDB存储引擎表在建立的时候没有设置任何一个主键或唯一非空索引，那么这时InnoDB存储引擎会使用隐式的

主键来进行锁定。

Next-Key Lock是结合了Gap Lock+Record Lock的一种锁定算法，在Next-Key Lock算法下，InnoDB对于行的查询都是采用这种锁定算法。假如一个索引有10，11

，13和20这4个值，那么该索引可能被Next-Key Locking的区间为：

（-无穷，10] ，（10，11]， （11，13]， （13，20]， （20，+无穷)

　　采用Next-Key Lock的锁定技术称为Next-Key Locking。其设计的目的是为了解决幻读问题。而利用这种锁定技术，锁定的不是单个值，而是一个范围。 ​ 然而，

当查询的索引含有唯一属性时，InnoDB存储引擎会对Next-Key Lock进行优化将其降级为Record Lock，即仅锁住索引本身，而不是范围。下面演示一个例子。

mysql> create table t (a int primary key);

Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

​

mysql> insert into t select 1;

Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

​

mysql> insert into t select 2;

Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

​

mysql> insert into t select 5;

Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

接着按下表时间顺序执行操作。

时间 会话A 会话B
１ begin;  
２ select * from t where a = 5 for update;  
３   begin;
４   insert into t select 4;
５   commit; #成功，不需要等待
６ commit;  

　　表t共有1，2，5三个值。在上面的例子中，在会话A中首先对a=5进行X锁定。而由于a是主键且唯一，因此锁定的仅是5这个值，而不是(2,5)这个范围，这样在会话

B中插入值4而不会阻塞，可以立即插入并返回。即锁定由Next-Key Lock算法降级为了Record Lock，从而提高应用的并发性。

如上，Next-Key Lock降级为Record Lock仅在查询的列是唯一索引的情况下。若是辅助索引，则情况会完全不同。同样，首先创建测试表z进行测试：

mysql> create table z (a int ,b int ,primary key(a), key(b));

mysql> insert into z select 1,1;

mysql> insert into z select 3,1;

mysql> insert into z select 5,3;

mysql> insert into z select 7,6;

mysql> insert into z select 10,8;

表z的列b是辅助索引，若在会话A中执行下面的SQL语句：

mysql> select * from z where b = 3 for update;

　　很明显，这时SQL语句通过索引列b进行查询，因此其使用传统的Next-Key Locking技术加锁，并且由于有两个索引，其需要分别进行锁定。对于聚集索引，其仅对列

a等于5的索引加上Record Lock。而对于辅助索引，其加上的是Next-Key Lock,锁定的范围是（1，3），特别需要注意的是，InnoDB存储引擎还会对辅助索引下一个

键值加上gap lock，即还有一个辅助索引范围为（3，6）的锁。因此，若在新会话B中运行下面的SQL语句，都会被阻塞：

mysql> select * from z where a = 5 lock in share mode;

mysql> insert into z select 4,2;

mysql> insert into z select 6,5;

　　第一个SQL语句不能执行，因为在会话A中执行的SQL语句已经对聚集索引中列a=5的值加上X锁,因此执行会被阻塞。第二个SQL语句，主键插入4，没有问题，但是插入

的辅助索引值2在锁定的范围（1,3）中，因此执行同样会被阻塞。第三个SQL语句，插入的主键6没有被锁定，5也不在范围（1,3）之间。但插入的值5在另一个锁定的

范围（3,6）中，故同样需要等待。而下面的SQL语句，不会被阻塞，可以立即执行：

mysql> insert into z select 8,6;

mysql> insert into z select 2,0;

mysql> insert into z select 6,7;

　　从上面的例子可以看到，Gap Lock的作用是为了阻止多个事务将记录插入到同一个范围内，而这会导致幻读问题的产生。假如在上面的例子中，会话A中用户已经锁定了

b=3的记录。若此时没有Gap Lock锁定（3,6），那么用户可以插入索引b列为3的记录，这会导致会话A中的用户再次执行同样查询时会返回不同的记录，即幻读。

　　这里主要探究的是InnoDB存储引擎锁表的机制，至少自己明白了Mysql的行锁机制，不知道读者是否有疑问，欢迎留言。下次会记录关于Mysql事务特性及其内部的实现机制，

包括mysql的内部架构，InnoDB buffer Pool,redo log, undo log等具体的详解，目前只是对知识过了一遍，但还未总结。

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