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mysql-事务和锁

2021/02/09 mysql

前言：事务的四大特性、事务的状态、四种隔离级别、三大读写问题、两类丢失更新、锁

一、事务相关特性

1、事务的四大特性

事务包含四大特性，即原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）*和*持久性（Durability）(ACID)。

  • 原子性（Atomicity）原子性是指对数据库的一系列操作，要么全部成功，要么全部失败，不可能出现部分成功的情况。以转账场景为例，一个账户的余额减少，另一个账户的余额增加，这两个操作一定是同时成功或者同时失败的。
  • 一致性（Consistency）一致性是指数据库的完整性约束没有被破坏，在事务执行前后都是合法的数据状态。这里的一致可以表示数据库自身的约束没有被破坏，比如某些字段的唯一性约束、字段长度约束等等；还可以表示各种实际场景下的业务约束，比如上面转账操作，一个账户减少的金额和另一个账户增加的金额一定是一样的。
  • 隔离性（Isolation）隔离性指的是多个事务彼此之间是完全隔离、互不干扰的。隔离性的最终目的也是为了保证一致性。
  • 持久性（Durability）持久性是指只要事务提交成功，那么对数据库做的修改就被永久保存下来了，不可能因为任何原因再回到原来的状态。

2、事务的状态

根据事务所处的不同阶段，事务大致可以分为以下5个状态：

  • 活动的（active） 当事务对应的数据库操作正在执行过程中，则该事务处于活动状态。
  • 部分提交的（partially committed） 当事务中的最后一个操作执行完成，但还未将变更刷新到磁盘时，则该事务处于部分提交状态。
  • 失败的（failed） 当事务处于活动或者部分提交状态时，由于某些错误导致事务无法继续执行，则事务处于失败状态。
  • 中止的（aborted） 当事务处于失败状态，且回滚操作执行完毕，数据恢复到事务执行之前的状态时，则该事务处于中止状态。
  • 提交的（committed） 当事务处于部分提交状态，并且将修改过的数据都同步到磁盘之后，此时该事务处于提交状态。

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3、四种隔离级别

SQL标准定义了4类隔离级别，包括了一些具体规则，用来限定事务内外的哪些改变是可见的，哪些是不可见的。低级别的隔离级一般支持更高的并发处理，并拥有更低的系统开销。

  • Read Uncommitted（读取未提交内容）在该隔离级别，所有事务都可以看到其他未提交事务的执行结果。本隔离级别很少用于实际应用，因为它的性能也不比其他级别好多少。读取未提交的数据，也被称之为脏读（Dirty Read）。

  • Read Committed（读取提交内容）这是大多数数据库系统的默认隔离级别（但不是MySQL默认的）。它满足了简单的隔离 定义：一个事务只能看见已经提交事务所做的改变。这种隔离级别 也支持所谓的不可重复读（Nonrepeatable Read），因为同一事务的其他实例在该实例处理其间可能会有新的commit，所以同一select可能返回不同结果。

  • Repeatable Read（可重读） 这是MySQL的默认事务隔离级别，它确保同一事务的多个实例在并发读取数据时，会看到同样的数据行。不过理论上，这会导致另一个棘手的问题：幻读 （Phantom Read）。简单的说，幻读指当用户读取某一范围的数据行时，另一个事务又在该范围内插入了新行，当用户再读取该范围的数据行时，会发现有新的“幻影” 行。InnoDB和Falcon存储引擎通过多版本并发控制（MVCC，Multiversion Concurrency Control）机制解决了该问题。

  • Serializable（可串行化） 这是最高的隔离级别，它通过强制事务排序，使之不可能相互冲突，从而解决幻读问题。简言之，它是在每个读的数据行上加上共享锁。在这个级别，可能导致大量的超时现象和锁竞争

4、MySQL中的隔离级别及对应的问题

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二、三大读写问题

脏读

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  • 脏读：读到其他事务未提交的更改数据（update），并进行了操作（最严重）
  • 不可重复读：读到其他事务已提交的更改的数据（update） –>行锁
  • 幻读：读到其他事务插入（insert）的数据 –>表锁
  • 第一类丢失更新：A撤销事务时，覆盖了B事务提交数据
  • 第二类丢失更新：A事务覆盖B事务提交的数据

不可重复读

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幻读

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三、两类丢失更新

第一类丢失更新

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第二类丢失更新

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四、锁

事务并发访问同一数据资源的情况主要就分为读-读、写-写和读-写三种。

  1. 读-读即并发事务同时访问同一行数据记录。由于两个事务都进行只读操作，不会对记录造成任何影响，因此并发读完全允许。
  2. 写-写即并发事务同时修改同一行数据记录。这种情况下可能导致脏写问题，这是任何情况下都不允许发生的，因此只能通过加锁实现，也就是当一个事务需要对某行记录进行修改时，首先会先给这条记录加锁，如果加锁成功则继续执行，否则就排队等待，事务执行完成或回滚会自动释放锁。
  3. 读-写即一个事务进行读取操作，另一个进行写入操作。这种情况下可能会产生脏读、不可重复读、幻读。最好的方案是读操作利用多版本并发控制（MVCC），写操作进行加锁。

1、锁的粒度

按锁作用的数据范围进行分类的话，锁可以分为行级锁和表级锁。

  • 行级锁：作用在数据行上，锁的粒度比较小。
  • 表级锁：作用在整张数据表上，锁的粒度比较大。

2、锁的分类

为了实现读-读之间不受影响，并且写-写、读-写之间能够相互阻塞，Mysql使用了读写锁的思路进行实现，具体来说就是分为了共享锁和排它锁：

  • 共享锁(Shared Locks)：简称S锁，在事务要读取一条记录时，需要先获取该记录的S锁。S锁可以在同一时刻被多个事务同时持有。我们可以用select ...... lock in share mode;的方式手工加上一把S锁
  • 排他锁(Exclusive Locks)：简称X锁，在事务要改动一条记录时，需要先获取该记录的X锁。X锁在同一时刻最多只能被一个事务持有。X锁的加锁方式有两种，第一种是自动加锁，在对数据进行增删改的时候，都会默认加上一个X锁。还有一种是手工加锁，我们用一个FOR UPDATE给一行数据加上一个X锁。

还需要注意的一点是，如果一个事务已经持有了某行记录的S锁，另一个事务是无法为这行记录加上X锁的，反之亦然。

除了共享锁(Shared Locks)和排他锁(Exclusive Locks)，Mysql还有意向锁(Intention Locks)。意向锁是由数据库自己维护的，一般来说，当我们给一行数据加上共享锁之前，数据库会自动在这张表上面加一个意向共享锁(IS锁)；当我们给一行数据加上排他锁之前，数据库会自动在这张表上面加一个意向排他锁(IX锁)。意向锁可以认为是S锁和X锁在数据表上的标识，通过意向锁可以快速判断表中是否有记录被上锁，从而避免通过遍历的方式来查看表中有没有记录被上锁，提升加锁效率。例如，我们要加表级别的X锁，这时候数据表里面如果存在行级别的X锁或者S锁的，加锁就会失败，此时直接根据意向锁就能知道这张表是否有行级别的X锁或者S锁。

3、InnoDB中的表级锁

InnoDB中的表级锁主要包括表级别的意向共享锁(IS锁)和意向排他锁(IX锁)以及自增锁(AUTO-INC锁)。其中IS锁和IX锁在前面已经介绍过了，这里不再赘述，我们接下来重点了解一下AUTO-INC锁。

大家都知道，如果我们给某列字段加了AUTO_INCREMENT自增属性，插入的时候不需要为该字段指定值，系统会自动保证递增。系统实现这种自动给AUTO_INCREMENT修饰的列递增赋值的原理主要是两个：

  • AUTO-INC锁：在执行插入语句的时先加上表级别的AUTO-INC锁，插入执行完成后立即释放锁。如果我们的插入语句在执行前无法确定具体要插入多少条记录，比如INSERT ... SELECT这种插入语句，一般采用AUTO-INC锁的方式。
  • 轻量级锁：在插入语句生成AUTO_INCREMENT值时先才获取这个轻量级锁，然后在AUTO_INCREMENT值生成之后就释放轻量级锁。如果我们的插入语句在执行前就可以确定具体要插入多少条记录，那么一般采用轻量级锁的方式对AUTO_INCREMENT修饰的列进行赋值。这种方式可以避免锁定表，可以提升插入性能。

mysql默认根据实际场景自动选择加锁方式，当然也可以通过innodb_autoinc_lock_mode强制指定只使用其中一种

4、InnoDB中的行级锁

前面说过，通过MVCC可以解决脏读、不可重复读、幻读这些读一致性问题，但实际上这只是解决了普通select语句的数据读取问题。事务利用MVCC进行的读取操作称之为快照读，所有普通的SELECT语句在READ COMMITTED、REPEATABLE READ隔离级别下都算是快照读。除了快照读之外，还有一种是锁定读，即在读取的时候给记录加锁，在锁定读的情况下依然要解决脏读、不可重复读、幻读的问题。由于都是在记录上加锁，这些锁都属于行级锁。

InnoDB的行锁，是通过锁住索引来实现的，如果加锁查询的时候没有使用过索引，会将整个聚簇索引都锁住，相当于锁表了。根据锁定范围的不同，行锁可以使用记录锁(Record Locks)、间隙锁(Gap Locks)和临键锁(Next-Key Locks)的方式实现。假设现在有一张表t，主键是id。我们插入了4行数据，主键值分别是 1、4、7、10。接下来我们就以聚簇索引为例，具体介绍三种形式的行锁。

  • 记录锁(Record Locks) 所谓记录，就是指聚簇索引中真实存放的数据，比如上面的1、4、7、10都是记录。image

显然，记录锁就是直接锁定某行记录。当我们使用唯一性的索引(包括唯一索引和聚簇索引)进行等值查询且精准匹配到一条记录时，此时就会直接将这条记录锁定。例如select * from t where id =4 for update;就会将id=4的记录锁定

  • 间隙锁(Gap Locks) 间隙指的是两个记录之间逻辑上尚未填入数据的部分，比如上述的(1,4)、(4,7)等。image

同理，间隙锁就是锁定某些间隙区间的。当我们使用用等值查询或者范围查询，并且没有命中任何一个record，此时就会将对应的间隙区间锁定。例如select * from t where id =3 for update;或者select * from t where id > 1 and id < 4 for update;就会将(1,4)区间锁定

  • 临键锁(Next-Key Locks) 临键指的是间隙加上它右边的记录组成的左开右闭区间。比如上述的(1,4]、(4,7]等。image

临键锁就是记录锁(Record Locks)和间隙锁(Gap Locks)的结合，即除了锁住记录本身，还要再锁住索引之间的间隙。当我们使用范围查询，并且命中了部分record记录，此时锁住的就是临键区间。注意，临键锁锁住的区间会包含最后一个record的右边的临键区间。例如select * from t where id > 5 and id <= 7 for update;会锁住(4,7]、(7,+∞)。mysql默认行锁类型就是临键锁(Next-Key Locks)。当使用唯一性索引，等值查询匹配到一条记录的时候，临键锁(Next-Key Locks)会退化成记录锁；没有匹配到任何记录的时候，退化成间隙锁。

间隙锁(Gap Locks)和临键锁(Next-Key Locks)都是用来解决幻读问题的，在已提交读（READ COMMITTED）隔离级别下，间隙锁(Gap Locks)和临键锁(Next-Key Locks)都会失效！

作者：伍陆七

链接：https://juejin.cn/post/6855129007336521741

来源：掘金

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