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这下彻底把 MySQL的锁搞懂了

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转载：肝了一周，这下彻底把 MySQL的锁搞懂了

申明：本文基于 MySQL 8.0.30 版本，InnoDB 引擎

MySQL 数据库锁设计的初衷是处理并发问题，保证数据安全。MySQL 数据库锁可以从下面 3 个维度进行划分：

  1. 按照锁的使用方式，MySQL 锁可以分成共享锁、排他锁两种；
  2. 根据加锁的范围，MySQL 锁大致可以分成全局锁、表级锁和行锁三类；
  3. 从思想层面上看，MySQL 锁可以分为悲观锁、乐观锁两种；

我们先讲解共享锁和排它锁，然后讲解全局锁、表级锁和行锁，因为这三种类别的锁中，有些是共享锁，有些是排他锁，最后再讲解悲观锁和乐观锁。

一、共享锁和排他锁

1.1 共享锁

共享锁，Share lock，也叫读锁。它是指当对象被锁定时，允许其它事务读取该对象，也允许其它事务从该对象上再次获取共享锁，但不能对该对象进行写入。加锁方式有如下两种方式：

#方式1
select ... lock in share mode;
#方式2
select ... for share;

如果事务 T1 在某对象持有共享(S)锁，则事务 T2 需要再次获取该对象的锁时，会出现下面两种情况：

  1. 如果 T2 获取该对象的共享(S)锁，则可以立即获取锁；
  2. 如果 T2 获取该对象的排他(X)锁，则无法获取锁；

为了更好的理解上述两种情况，可以参照下面的执行顺序流和实例图：

给 user 表加共享锁

给 user 表 id=3 的行加共享锁

通过上述两个实例可以看出：

  • 当共享锁加在 user 表上，则其它事务可以再次获取 user 表的共享锁，其它事务再次获取 user 表的排他锁失败，操作被堵塞；
  • 当共享锁加在 user 表 id=3 的行上，则其它事务可以再次获取 user 表 id=3 行上的共享锁，其它事务再次获取 user 表 id=3 行上的排他锁失败，操作被堵塞，但是事务可以再次获取 user 表 id!=3 行上的排他锁；

1.2 排他锁

排它锁，Exclusive Lock，也叫写锁或者独占锁，主要是防止其它事务和当前加锁事务锁定同一对象。同一对象主要有两层含义：

  1. 当排他锁加在表上，则其它事务无法对该表进行 insert,update,delete,alter,drop 等更新操作；
  2. 当排他锁加在表的行上，则其它事务无法对该行进行 insert,update,delete,alter,drop 等更新操作；

排它锁加锁方式为：

# 排它锁加锁方式
select ... for update;

为了更好地说明排他锁，可以参照下面的执行顺序流和实例图：

给 user 表对象加排他锁

给 user 表 id=3 的行对象加排他锁

二、全局锁 & 表锁 & 行锁

2.1 全局锁

全局锁，顾名思义，就是对整个数据库实例加锁，它是粒度最大的锁。

在 MySQL 中，通过执行 flush tables with read lock 指令加全局锁：

# 加全局锁
flush tables with read lock

指令执行完，整个数据库就处于只读状态了，其他线程执行以下操作，都会被阻塞：

  • 数据更新语句被阻塞，包括 insert, update, delete 语句；
  • 数据定义语句被阻塞，包括建表 create table,alter table、drop table 语句；
  • 更新操作事务 commit 语句被阻塞；

MySQl 释放锁有 2 种方式：

  1. 执行 unlock tables 指令：unlock tables
  2. 加锁的会话断开，全局锁也会被自动释放

为了更好地说明全局锁，可以参照下面的执行顺序流和实例图：

通过上述的实例可以看出，当加全局锁时，库下面所有的表都处于只读状态，不管是当前事务还是其他事务，对于库下面所有的表只能读，不能执行 insert，update，delete，alter，drop 等更新操作。

全局锁的典型使用场景是做全库逻辑备份，在备份过程中整个库完全处于只读状态。如下图：

假如在主库上备份，备份期间，业务服务器不能对数据库执行更新操作，因此涉及到更新操作的业务就瘫痪了；

假如在从库上备份，备份期间，从库不能执行主库同步过来的 binlog，会导致主从延迟越来越大，如果做了读写分离，那么从库上获取数据就会出现延时，影响业务；

从上述分析可以看出，使用全局锁进行数据备份，不管是在主库还是在从库上进行备份操作，对业务总是不太友好。那不加锁行不行？我们可以通过下面还钱转账的例子，看看不加锁会不会出现问题：

  • 备份前：账户 A 有 1000，账户 B 有 500
  • 此时，发起逻辑备份
  • 假如数据备份时不加锁，此时，客户端 A 发起一个还钱转账的操作：账户 A 往账户 B 转 200
  • 当账户 A 转出 200 完成，账户 B 转入 200 还未完成时，整个数据备份完成
  • 如果用该备份数据做恢复，会发现账户 A 转出了 200，账户 B 却没有对应的转入记录，这样就会产生纠纷：A 说我账户少了 200， B 说我没有收到，最后，A，B 谁都不干。

既然不加锁会产生错误，加全局锁又会影响业务，那么有没有两全其美的方式呢？

有，MySQL 官方自带的逻辑备份工具 mysqldump，具体指令如下：

# 备份数据
mysqldump –single-transaction

执行该指令，在备份数据之前会先启动一个事务，来确保拿到一致性视图， 加上 MVCC 的支持，保证备份过程中数据是可以正常更新。但是，single-transaction 方法只适用于库中所有表都使用了事务引擎，如果有表使用了不支持事务的引擎，备份就只能用 FTWRL 方法。

2.2 表级锁   

MySQL 表级锁有两种：

  1. 表锁
  2. 元数据锁（metadata lock，MDL)

2.2.1 表锁

表锁就是对整张表加锁，包含读锁和写锁，由 MySQL Server 实现，表锁需要显示加锁或释放锁，具体指令如下：

#给表加写锁
lock tables tablename write;

# 给表加读锁
lock tables tablename read;

# 释放锁
unlock tables;

读锁：代表当前表为只读状态，读锁是一种共享锁。需要注意的是，读锁除了会限制其它线程的操作外，也会限制加锁线程的行为，具体限制如下：

  • 加锁线程只能对当前表进行读操作，不能对当前表进行更新操作，不能对其它表进行所有操作；
  • 其它线程只能对当前表进行读操作，不能对当前表进行更新操作，可以对其它表进行所有操作；

为了更好地说明读锁，可以参照下面的执行顺序流和实例图：

写锁：写锁是一种独占锁，需要注意的是，写锁除了会限制其它线程的操作外，也会限制加锁线程的行为，具体限制如下：

  • 加锁线程对当前表能进行所有操作，不能对其它表进行任何操作；
  • 其它线程不能对当前表进行任何操作，可以对其它表进行任何操作；

2.2.2 MDL 元数据锁   

元数据锁：metadata lock，简称 MDL，它是在 MySQL 5.5 版本引进的。元数据锁不用像表锁那样显式的加锁和释放锁，而是在访问表时被自动加上，以保证读写的正确性。加锁和释放锁规则如下：

  • MDL 读锁之间不互斥，也就是说，允许多个线程同时对加了 MDL 读锁的表进行 CRUD(增删改查)操作；
  • MDL 写锁，它和读锁、写锁都是互斥的，目的是用来保证变更表结构操作的安全性。也就是说，当对表结构进行变更时，会被默认加 MDL 写锁，因此，如果有两个线程要同时给一个表加字段，其中一个要等另一个执行完才能开始执行。
  • MDL 读写锁是在事务 commit 之后才会被释放；

为了更好的说明 MDL 读锁规则，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

为了更好的说明 MDL 写锁规则，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

2.2.3 意向锁

由于 InnoDB 引擎支持多粒度锁定，允许行锁和表锁共存，为了快速的判断表中是否存在行锁，InnoDB 推出了意向锁。

意向锁，Intention lock，它是一种表锁，用来标识事务打算在表中的行上获取什么类型的锁。不同的事务可以在同一张表上获取不同种类的意向锁，但是第一个获取表上意向排他(IX) 锁的事务会阻止其它事务获取该表上的任何 S 锁 或 X 锁。反之，第一个获得表上意向共享锁(IS) 的事务可防止其它事务获取该表上的任何 X 锁。

意向锁通常有两种类型：

  1. 意向共享锁(IS)，表示事务打算在表中的各个行上设置共享锁。
  2. 意向排他锁(IX)，表示事务打算对表中的各个行设置排他锁。


意向锁是 InnoDB 自动加上的，加锁时遵从下面两个协议：

  1. 事务在获取表中行的共享锁之前，必须先获取表上的 IS 锁或更强的锁。
  2. 事务在获取表中行的排他锁之前，必须先获取表上的 IX 锁。

为了更好地说明意向共享锁，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

2.2.4 AUTO-INC 锁

AUTO-INC 锁是一种特殊的表级锁，当表中有 AUTO_INCREMENT 的列时，如果向这张表插入数据时，InnoDB 会先获取这张表的 AUTO-INC 锁，等插入语句执行完成后，AUTO-INC 锁会被释放。

AUTO-INC 锁可以使用 innodb_autoinc_lock_mode 变量来配置自增锁的算法，innodb_autoinc_lock_mode 变量可以选择三种值如下表：

表级锁的兼容性 

下面的图表总结了表级锁类型的兼容性

2.3 行锁   

行锁是针对数据表中行记录的锁。MySQL 的行锁是在引擎层实现的，并不是所有的引擎都支持行锁，比如，InnoDB 引擎支持行锁而 MyISAM 引擎不支持。

InnoDB 引擎的行锁主要有四类：

  1. Record Lock：记录锁，是在索引记录上加锁；
  2. Gap Lock：间隙锁，锁定一个范围，但不包含记录；
  3. Next-key Lock：Gap Lock + Record Lock，锁定一个范围(Gap Lock 实现)，并且锁定记录本身(Record Lock 实现)；
  4. 插入意向锁；

2.3.1 Record Lock

Record Lock：记录锁，是针对索引记录的锁，锁定的总是索引记录。

例如，select id from user where id = 1 for update; for update 就显式在索引 id 上加行锁(排他锁)，防止其它任何事务 update 或 delete id=1 的行，但是对 user 表的 insert、alter、drop 操作还是可以正常执行。

为了更好的说明 Record Lock 锁，可以参照下面的执行顺序流和实例图：

2.3.2 Gap Lock 

Gap Lock：间隙锁，锁住两个索引记录之间的间隙上，由 InnoDB 隐式添加。比如(1,3) 表示锁住记录 1 和记录 3 之间的间隙，这样记录 2 就无法插入，间隙可能跨越单个索引值、多个索引值，甚至是空。

为了更好的说明 Gap Lock 间隙锁，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

上图中，事务 A(sessionA)在加共享锁的时候产生了间隙锁(Gap Lock)，事务 B(sessionB)对间隙中进行 insert/update 操作，需要先获取排他锁(X)，导致阻塞。事务 C(sessionC)通过”show engine innodb status\G” 指令可以查看到间隙锁的存在。需要说明的，间隙锁只是锁住间隙内部的范围，在间隙外的 insert/update 操作不会受影响。

Gap Lock 锁，只存在于可重复读隔离级别，目的是为了解决可重复读隔离级别下幻读的现象。

2.3.3 Next-Key Lock 

Next-Key 锁，称为临键锁，它是 Record Lock + Gap Lock 的组合，用来锁定一个范围，并且锁定记录本身锁，它是一种左开右闭的范围，可以用符号表示为：(a,b]。

为了更好的说明 Next-Key Lock 间隙锁，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

上图中，事务 A(sessionA)在加共享锁的时候产生了间隙锁(Gap Lock)，事务 B(sessionB)对间隙中进行 insert 操作，需要先获取排他锁(X)，导致阻塞。事务 C(sessionC)对间隙中进行 update 操作，需要先获取排他锁(X)，导致阻塞。事务 D(sessionD)通过”show engine innodb status\G” 指令可以查看到间隙锁的存在。需要说明的，间隙锁只是锁住间隙内部的范围，在间隙外的 insert/update 操作不会受影响。

2.3.4 Insert Intention Lock   

插入意向锁，它是一种特殊的间隙锁，特指插入操作产生的间隙锁。为了更好的说明 Insert Intention Lock 锁，可以参照下面的顺序执行流和实例图：

三、乐观锁 & 悲观锁   

在 MySQL 中，无论是悲观锁还是乐观锁，都是人们对概念的一种思想抽象，它们本身还是利用 MySQL 提供的锁机制来实现的。其实，除了在 MySQL 数据，像 Java 语言里面也有乐观锁和悲观锁的概念。

  • 悲观锁，可以理解成：在对任意记录进行修改前，先尝试为该记录加上排他锁(exclusive locking)，采用的是先获取锁再操作数据的策略，可能会产生死锁；
  • 乐观锁，是相对悲观锁而言，一般不会利用数据库的锁机制，而是采用类似版本号比较之类的操作，因此乐观锁不会产生死锁的问题；

四、死锁 & 死锁检测   

当并发系统中不同线程出现循环资源依赖，涉及的线程都在等待别的线程释放资源时，就会导致这几个线程都进入无限等待的状态，称为死锁。可以通过下面的指令查看死锁：

show engine innodb status

当出现死锁以后，有两种策略：

  1. 直接进入等待，直到超时。这个超时时间可以通过参数 innodb_lock_wait_timeout 来设置，InnoDB 中 innodb_lock_wait_timeout 的默认值是 50s。
  2. 发起死锁检测，发现死锁后，主动回滚死锁链条中的某一个事务，让其它事务得以继续执行。将参数 innodb_deadlock_detect 设置为 on，表示开启死锁检测。

五、总结   

本文基于 MySQL 8.0.30 版本和 InnoDB 引擎，对 MySQL 中的锁进行了讲解，每种锁都有其特定的使用场景。作为经常和 MySQL 打交道的 Java 程序员来说，对 MySQL 锁了解的越深，越可以帮助我们更好的去写出高性能的 SQL 语句。