MySQL原理与实践（六）：自增主键的使用

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 MySQL原理与实践（一）：一条select语句引出Server层和存储引擎层

MySQL原理与实践（二）：一条update语句引出MySQL日志系统

MySQL原理与实践（三）：由三种数据结构引入MySQL索引及其特性

MySQL原理与实践（四）：由数据库事务引出数据库隔离级别

MySQL原理与实践（五）：数据库的锁机制

MySQL原理与实践（六）：自增主键的使用

目录

前言：

正文：

自增主键：

自增值的保存策略：

自增值的修改机制：

自增主键为什么不连续？

自增主键的修改时机：

事务的回滚操作对于自增主键连续性的影响：

自增值为什么不可以回退？

总结：

自增id用完了怎么办？

总结：

---

前言：

        在前面文章的介绍中，我们阐述了主键的重要性。我们通过普通索引查询时会利用主键做一个回表操作。当我们在建表的时候没有指定主键的时候，MySQL会自动帮我们创建一个rowid做为主键，由此可见主键的重要性。这篇博文中，我们主要分析总结自增主键的特性。

正文：

自增主键：

       让我们来回忆下前边所介绍的主键相关特性。在MySQL原理与实践（三）：由三种数据结构引入MySQL索引及其特性中介绍索引的时候，我给出了如下的两个索引树：

由于数据的无序插入会导致数据页的分裂，增加了索引的维护成本，所以我们建议尽量使用自增主键来保证插入数据的有序性。在阿里巴巴的Java开发手册中也有如下的要求：

这一条强制规定也说明了自增主键的重要性，在MySQL中我们使用auto_increment来标明某个字段是个自增长的主键。有如下的建表语句：

CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `c` int(11) DEFAULT NULL,
  `d` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  UNIQUE KEY `c` (`c`)
) ENGINE=InnoDB;

创建的表t和其表结构如下：

在这个空表 t 里面执行 insert into t values(null, 1, 1); 插入一行数据，再执行 show create table 命令，结果如下：

可以看到，表定义里面出现了一个 AUTO_INCREMENT=2，表示下一次插入数据时，如果需要自动生成自增值，会生成 id=2。

自增值的保存策略：

不同的引擎对于自增值的保存策略不同，我们以MyISAM和InnoDB存储引擎来说明：

• MyISAM 引擎的自增值保存在数据文件中。
• InnoDB 引擎的自增值，其实是保存在了内存里，并且到了 MySQL 8.0 版本后，才有了“自增值持久化”的能力，也就是才实现了“如果发生重启，表的自增值可以恢复为 MySQL 重启前的值”，具体情况是：
  • 在 MySQL 5.7 及之前的版本，自增值保存在内存里，并没有持久化。每次重启后，第一次打开表的时候，都会去找自增值的最大值 max(id)，然后将 max(id)+1 作为这个表当前的自增值。
    举例来说，如果一个表当前数据行里最大的 id 是 10，AUTO_INCREMENT=11。这时候，我们删除 id=10 的行，AUTO_INCREMENT 还是 11。但如果马上重启实例，重启后这个表的 AUTO_INCREMENT 就会变成 10。
    也就是说，MySQL 重启可能会修改一个表的 AUTO_INCREMENT 的值。
  • 在 MySQL 8.0 版本，将自增值的变更记录在了 redo log 中，重启的时候依靠 redo log 恢复重启之前的值。

介绍了 MySQL 对自增值的保存策略以后，我们再看看自增值修改机制。

自增值的修改机制：

还是刚刚建立得表t，刚刚我们插入了一条（null,1,1）数据，查询select之后如下所示：

然后我们再插入一条（0,2,1）数据，查询结果如下：

然后我们不指主键id的值，插入了（3,1）数据，结果如下;

接着我们刻意指定了该主键id的值，插入了一条（5,5,1）数据，结果如下：

由上边的结果我们可以看出在 MySQL 里面，如果字段 id 被定义为 AUTO_INCREMENT，在插入一行数据的时候，自增值的行为如下：

• 如果插入数据时 id 字段指定为 0、null 或未指定值，那么就把这个表当前的 AUTO_INCREMENT 值填到自增字段
• 如果插入数据时 id 字段指定了具体的值，就直接使用语句里指定的值。

接着，我们再次执行show create table t\G 查看当前的自增值：

可以看到，由于我们在上一条插入语句中直接指定了自增值为5，所以MySQL保存的自增值大小为6 。

有如下的规定：

根据要插入的值和当前自增值的大小关系，自增值的变更结果也会有所不同。假设，某次要插入的值是 X，当前的自增值是 Y。

• 如果 X
• 如果 X≥Y，就需要把当前自增值修改为新的自增值。

接下来我们再次插入一条数据（null,5,1）因为列c上有唯一约束UNIQUE，所以会报错，如下所示：

然后，插入一条（null,6,1），看下结果：

可以看出，即使我们使用自增长的主键，并且默认步长为一，也会出现自增主键不连续的情况。那么为什么会出现这种情况呢？

自增主键为什么不连续？

自增主键的修改时机：

假设，表 t 里面已经有了 (1,1,1) 这条记录，这时我再执行一条插入数据命令：

insert into t values(null, 1, 1); 

这个语句的执行流程就是：

• 执行器调用 InnoDB 引擎接口写入一行，传入的这一行的值是 (0,1,1)
• InnoDB 发现用户没有指定自增 id 的值，获取表 t 当前的自增值 2
• 将传入的行的值改成 (2,1,1)
• 将表的自增值改成 3
• 继续执行插入数据操作，由于已经存在 c=1 的记录，所以报 Duplicate key error，语句返回。

       可以看到，这个表的自增值改成 3，是在真正执行插入数据的操作之前。这个语句真正执行的时候，因为碰到唯一键 c 冲突，所以 id=2 这一行并没有插入成功，但也没有将自增值再改回去。

所以，在这之后，再插入新的数据行时，拿到的自增 id 就是 3。也就是说，出现了自增主键不连续的情况。

事务的回滚操作对于自增主键连续性的影响：

      我们再来看一下事务的回滚操作对于自增主键连续性的影响。有如下的语句：

insert into t values(null,1,1);
begin;
insert into t values(null,2,2);
rollback;
insert into t values(null,2,2);
// 插入的行是 (3,2,2)

       为什么在出现唯一键冲突或者回滚的时候，MySQL 没有把表 t 的自增值改回去呢？如果把表 t 的当前自增值从 3 改回 2，再插入新数据的时候，不就可以生成 id=2 的一行数据了吗？

自增值为什么不可以回退？

       我们来分析这个设计思路，看看自增值为什么不能回退？

       假设有两个并行执行的事务，在申请自增值的时候，为了避免两个事务申请到相同的自增 id，肯定要加锁，然后顺序申请。自增 id 锁并不是一个事务锁，而是每次申请完就马上释放，以便允许别的事务再申请。

1. 假设事务 A 申请到了 id=2， 事务 B 申请到 id=3，那么这时候表 t 的自增值是 4，之后继续执行
2. 事务 B 正确提交了，但事务 A 出现了唯一键冲突
3. 如果允许事务 A 把自增 id 回退，也就是把表 t 的当前自增值改回 2，那么就会出现这样的情况：表里面已经有 id=3 的行，而当前的自增 id 值是 2
4. 继续执行的其他事务就会申请到 id=2，然后再申请到 id=3。这时，就会出现插入语句报错“主键冲突”。

而为了解决这个主键冲突，有两种方法：

1. 每次申请 id 之前，先判断表里面是否已经存在这个 id。如果存在，就跳过这个 id。但是，这个方法的成本很高。因为，本来申请 id 是一个很快的操作，现在还要再去主键索引树上判断 id 是否存在
2. 把自增 id 的锁范围扩大，必须等到一个事务执行完成并提交，下一个事务才能再申请自增 id。这个方法的问题，就是锁的粒度太大，系统并发能力大大下降。

可见，这两个方法都会导致性能问题。造成这些麻烦的罪魁祸首，就是我们假设的这个“允许自增 id 回退”的前提导致的。

        因此，InnoDB 放弃了这个设计，语句执行失败也不回退自增 id。也正是因为这样，所以才只保证了自增 id 是递增的，但不保证是连续的。

总结：

造成自增主键不连续的原因如下：

• 唯一键的冲突
• 事务的回滚操作

自增id用完了怎么办？

        前面我们主要介绍了自增id的特点和重要性。每个自增 id 都是定义了初始值，然后不停地往上加步长。虽然自然数是没有上限的，但是在计算机里，只要定义了表示这个数的字节长度，那它就有上限。比如，无符号整型 (unsigned int) 是 4 个字节，上限就是2的32次方-1。

        做为一个7*24小时提供服务的数据库，这个值是有可能被用完的，无非就是一个时间问题。那么自增id值用完会发生什么？我们以下列的语句来进行测试。

create table t(id int unsigned auto_increment primary key) auto_increment=4294967295;
insert into t values(null);
select * from t;
// 成功插入一行 4294967295
show create table t;

insert into t values(null);
//Duplicate entry '4294967295' for key 'PRIMARY'

结果如下：

       我们可以看出，可以看到，第一个 insert 语句插入数据成功后，这个表的 AUTO_INCREMENT 没有改变（还是 4294967295），就导致了第二个 insert 语句又拿到相同的自增 id 值，再试图执行插入语句，报主键冲突错误。

      4294967295不是一个特别大的数，对于一个频繁插入删除数据的表来说，是可能会被用完的。因此在建表的时候你需要考察你的表是否有可能达到这个上限，如果有可能，就应该创建成 8 个字节的 bigint unsigned。

表定义的自增值达到上限后的逻辑是：再申请下一个 id 时，得到的值保持不变。

       文章的开头，我们说了如果你创建的 InnoDB 表没有指定主键，那么 InnoDB 会给你创建一个不可见的，长度为 6 个字节的 row_id。InnoDB 维护了一个全局的 dict_sys.row_id 值，所有无主键的 InnoDB 表，每插入一行数据，都将当前的 dict_sys.row_id 值作为要插入数据的 row_id，然后把 dict_sys.row_id 的值加 1。

       实际上，在代码实现时 row_id 是一个长度为 8 字节的无符号长整型 (bigint unsigned)。但是，InnoDB 在设计时，给 row_id 留的只是 6 个字节的长度，这样写到数据表中时只放了最后 6 个字节，所以 row_id 能写到数据表中的值，就有两个特征：

• row_id 写入表中的值范围，是从 0 到 2的48次方-1
• 当 dict_sys.row_id=2的48次方时，如果再有插入数据的行为要来申请 row_id，拿到以后再取最后 6 个字节的话就是 0。

也就是说，写入表的 row_id 是从 0 开始到 2的48次方-1。达到上限后，下一个值就是 0，然后继续循环。

        当然，2的48次方-1 这个值本身已经很大了，但是如果一个 MySQL 实例跑得足够久的话，还是可能达到这个上限的。在 InnoDB 逻辑里，申请到 row_id=N 后，就将这行数据写入表中；如果表中已经存在 row_id=N 的行，新写入的行就会覆盖原有的行。

       从这个角度看，我们还是应该在 InnoDB 表中主动创建自增主键。因为，表自增 id 到达上限后，再插入数据时报主键冲突错误，是更能被接受的。毕竟覆盖数据，就意味着数据丢失，影响的是数据可靠性；报主键冲突，是插入失败，影响的是可用性。而一般情况下，可靠性优先于可用性。

总结：

        这篇文章中，我们介绍了自增主键的特性，包括自增主键为什么不是连续的，分析了唯一键冲突以及事务回滚都会导致其不连续。在文章的最后，还分析了主动创建的自增主键和InnoDB自动创建的自增主键rowid在自增值用完之后的表现，给出我们应该主动创建自增主键。

        这篇文章是我们MySQL原理与实践的第六篇，如果有机会的话，我会继续更新MySQL原理与实践的相关总结与笔记，欢迎大家关注交流，希望对大家的学习有所帮助。

 

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