浅析MySQL InnoDB的隔离级别

前言

还是老规矩,首先提出几个待解决的问题:

  • MySQL InnoDB存储引擎中事务的隔离级别有哪些?
  • 对应隔离级别的实现机制是什么?
  • 并发事务下,MySQL如何保证事务的隔离性?

本文就将对上面这两个问题进行解答,分析事务的隔离级别以及相关锁机制。

隔离性简介

隔离性主要是指数据库系统提供一定的隔离机制,保证事务在不受外部并发操作影响的"独立"环境执行,意思就是多个事务并发执行时,一个事务的执行不应影响其它事务的执行。

4种隔离级别介绍

SQL标准中定义了4种隔离级别,分别是:

  • Read uncommitted: 未提交读,事务中的修改,即使没有提交,对其他事务也是可见的。存在脏读
  • Read committed: 提交读,大多数数据库系统的默认隔离级别(MySQL不是), 一个事务从开始到提交之前,所做的修改对其他事务不可见。解决脏读,存在幻读和不可重复读
  • repeatable read: 可重复读,该级别保证在同一事务中多次读取同样记录的结果是一致的。解决脏读和不可重复读,理论上存在幻读,但是在InnoDB引擎中解决了幻读
  • Serializable:可串行化,强制事务串行执行。

上面4种隔离级别是SQL标准定义的,但是在不同的存储引擎中,实现的隔离级别不尽相同。本文主要介绍MySQL InnoDB 存储引擎中的隔离级别,在InnoDB存储引擎中,Repeatable Read 是默认的事务隔离级别,同时该引擎的实现基于多版本的并发控制协议——MVCC (Multi-Version Concurrency Control),解决了幻读问题,当然 脏读和不可重复读也是不存在的。MVCC最大的好处就在于读不加锁,读写不冲突,这样极大的增加了系统的并发性能

Read uncommitted

未提交读,这种情况下,一个事务A可以看到另一个事务B未提交的数据,如果此时事务B发生回滚,那么事务A拿到的就是脏数据,这也就是脏读的含义。此隔离级别在MySQL InnoDB一般不会使用,不做过多说明。

Read Committed

提交读,一个事务从开始直到提交之前,所做的任何修改对其他事务都是不可见的。解决了脏读问题,但是存在幻读现象。

所谓幻读,指的是在同一事务下,连续执行两次同样的SQL语句可能导致不同的结果,第二次的SQL语句可能会返回之前不存在的行,也就是"幻行"

比如下面这个例子:

  1. 首先创建一张表,
CREATE TABLE `t` (
  `a` int(11) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`a`)
) ENGINE=InnoDB

insert into t(a) values(1);
insert into t(a) values(2);
insert into t(a) values(4);
  1. 分别执行事务1和事务2:
read_committed

可以从上图看出,Read Committed这种隔离级别存在幻读现象。实际上,Read Committed还可能存在不可重复读的问题,不可重复读,指的是一个事务内根据同一条件对行记录进行多次查询,但是查询出的数据结果不一致,原因就是查询区间数据被其他事务修改了

不可重复读感觉和幻读有点像,实际上,前者强调是同一行记录数据结果不一样,后者强调的时多次查询返回的结果集不一样,增加了或减少了

Repeatable Read

可重复读,该级别保证在同一事务中多次读取同样记录的结果是一致的,在InnoDB存储引擎中同时解决了幻读和不可重复读问题。至于InnoDB通过什么方式解决幻读和不可重复读问题,后续内容揭晓。

Serializable (可串行化)

Serializable 是最高的隔离级别,它通过 强制事务串行执行,避免了幻读的问题,但是 Serializable 会在读取的每一行数据上都加锁,所以可能导致大量的超时和锁争用的问题,因此并发度急剧下降,在MySQL InnoDB不被建议使用

Read Committed隔离级别下的加锁分析

隔离级别的实现与锁机制密不可分,所以需要引入锁的概念,首先我们看下InnoDB存储引擎提供的两种标准的行级锁:

  • 共享锁(S Lock):又称为读锁,可以允许多个事务并发的读取同一资源,互不干扰。即如果一个事务T对数据A加上共享锁后,其他事务只能对A再加共享锁,不能再加排他锁,只能读数据,不能修改数据
  • 排他锁(X Lock): 又称为写锁,如果事务T对数据A加上排他锁后,其他事务不能再对A加上任何类型的锁,获取排他锁的事务既能读数据,也能修改数据。

注意: 共享锁和排他锁是不相容的。

MySQL InnoDB存储引擎是使用多版本并发控制的,读不加锁,读写不冲突,除非特定场景下的显示加读锁(这里不去探究)。本小节主要分析Read Committed隔离级别下的加锁情况,在MVCC的作用下,一般也就是写操作加X锁了。

加锁操作是和索引紧密相关的,对一个SQL语句进行加锁分析时,也要仔细考究其属性列上的索引类型。假设有数据表t1,有两个列,name列和id列,插入了几条数据,没有明确索引情况:

insert into t1(name,id) values("a",10);
insert into t1(name,id) values("b",11);
insert into t1(name,id) values("c",13);
insert into t1(name,id) values("d",20);

下面执行 delete from t1 where id = 10 这条SQL语句,这里的隔离级别设置为Read Committed,从这条SQL语句不能得知id列的索引情况,所以需要分情况讨论:

  • id列是主键
  • id列是二级唯一索引
  • id列是二级非唯一索引
  • id列上没有索引

下面是对以上几种情况的加锁情况进行归纳总结,更详细的内容可以参阅数据库大牛的文章:MySQL 加锁处理分析

id列是主键

id是主键时,上述SQL只需要在id=10这条记录上加X锁即可

id列是二级唯一索引

若id列是唯一索引,而主键是name列,那么SQL需要加上两个X锁,一个对应于id索引上的id=10的记录,另一把锁对应于主键索引上的[name="a",id=10]的记录

id列是二级非唯一索引

若id列上有非唯一索引,那么对应的所有满足SQL查询条件的记录,都会被加锁,同时,这些记录在主键索引上的记录也会被加锁。

id列上没有索引

若id列上没有索引,SQL会走聚簇索引的全扫描进行过滤,由于过滤是由MySQL Sever层面进行的,因此每条记录,无论是否满足条件,都会被加上X锁。

Repeatable Read隔离级别下的加锁分析

前面说过,在Repeatable Read隔离级别下,InnoDB存储引擎解决了幻读和不可重复读问题,具体的原理是怎么样的呢?

之前简短的介绍了InnoDB中行锁的知识,下面来看下行锁的三种算法:

  • Record Lock: 单个索引记录上的锁,即加X锁
  • Gap Lock: 间隙锁,锁定一个范围,但不包含记录自身
  • Next-Key Lock: Gap Lock + Record Lock,锁定一个范围,并且锁定本身。

Record Lock总是会去锁住索引记录,如果InnoDB存储引擎在建表的时候没有设置任何一个索引,那么这时InnoDB会使用隐式的主键来进行锁定。(表没有定义主键的情况,InnoDB会默认添加一个隐式的主键索引)

Next-Key Lock是结合了Gap Lock和Record Lock的一种锁定算法,比如一个索引列有10,11,13和20这4个值,那么该索引可能被Next-Key Locking的区间为:

  • ($-\infty$,10)
  • (10,11]
  • (11,13]
  • (13,20]
  • (20,$+\infty$)

需要注意一点的是,当查询的索引含有唯一属性时,即是主键索引或者唯一索引时,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,一般加上X锁。

Next-Key Lock机制设计的目的就是为了解决幻读问题,主要针对查询列索引为非唯一索引的时候。以下面这个例子进行说明:

  1. 首先创建测试表t1,name是主键索引,id为非唯一索引,即辅助索引
CREATE TABLE `t1` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `name` varchar(200) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`name`),
  KEY `id_indx` (`id`)
) ENGINE=InnoDB

insert into t1(name,id) values("a",10);
insert into t1(name,id) values("b",11);
insert into t1(name,id) values("c",13);
insert into t1(name,id) values("d",20);
  1. 执行 delete from t1 where id = 11,其加锁情况如下图所示
gap_lock

这条SQL通过索引列id进行删除操作,该索引为非唯一索引,所以其使用传统的Next-Key
Locking 技术加锁,并且由于有主键索引和辅助索引两个,需要分别进行锁定。对于主键索引(即聚集索引),其仅对列name = "b"的索引加上 Record Lock,实际上就是X锁。

而对于非唯一索引,其加上的时Next-Key Lock,锁定范围是(10,11),对其加上Gap Lock(间隙锁),GAP锁实际上就是加在两条边界记录之间的位置。还需要注意的是,InnoDB还会对辅助索引下一个键值加上gap lock,即看到在(11,13)之间加了一个GAP锁。对于11值本身加上Record Lock,即X锁。

若此时开启另外一个事务执行下面的语句,就会阻塞:

1. select * from t1 where name = "b";
2. insert into t1(name,id) values("c",12);

比如第一条语句不能执行,因为在开始的事务中已经对聚集索引中的列name="b"的值加上了X锁。因此执行会被阻塞。而第二个SQL,同样不能执行,插入的值12在锁定范围(11,13)中,需要阻塞等待。

所以,从上例就可以看出,GAP Lock的作用就是为了阻止多个事务将记录插入到同一范围内,这样就有效的解决了幻读问题。

隔离级别总结

下面总结下InnoDB存储引擎下的各种隔离级别:

隔离级别 脏读可能性 不可重复读可能性 幻读可能性 加锁读
Read Uncommitted Yes Yes Yes No
Read Committed No Yes Yes No
Repeatable Read No No No No
Serializable No No No Yes

参考资料 & 鸣谢

  • MySQL技术内幕:InnoDB存储引擎(第2版)
  • MySQL 加锁处理分析

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