MySQL 事务原理：锁机制

锁机制用于管理对共享资源的并发访问，实现事务的隔离级别 。

一、锁类型

MySQL当中事务采用的是粒度锁：针对表（B+树）、页（B+树叶子节点）、行（B+树叶子节点当中某一段记录行）三种粒度加锁。

因此可分为全局锁、表级锁和行级锁。全局锁是针对数据库加锁，表级锁是针对表或页进行加锁；行级锁是针对表的索引加锁。

1.1 全局锁

全局锁（Global Lock）是一种数据库锁机制，它可以锁定整个数据库系统，阻止其他事务对数据库进行写入或修改操作。当一个事务获取到全局锁时，其他事务将无法执行任何对数据库写入的操作，直到全局锁被释放。

-- 全局锁，整个数据库处于只读状态，其他操作均阻塞
FLUSH TABLES WITH READ LOCK

-- 释放全局锁
UNLOCK TABLES

全局锁用于全库逻辑备份。这样在备份数据库期间，不会因为数据或表结构的更新，而出现备份文件的数据与预期的不一样。

但是在备份期间，业务只能读数据，不能更新数据， 造成业务停滞。

1.2 表级锁

表级锁又分为表锁、元数据锁、意向锁、自增锁。

1.2.1 表锁

表锁（Table-level lock）用于锁定整个表，控制对表的并发访问。当一个事务获取到表级锁时，其他事务将被阻塞，无法同时对该表进行写操作或修改操作。

表锁是一种粗粒度的锁，适用于需要对整张表进行操作的场景。

LOCK TABLES 表名 READ|WRITE

UNLOCK TABLES

1.2.2 元数据锁

元数据锁（MetaData Lock）用于保护数据库对象的元数据（如表结构、索引信息等）。当一个事务获取到元数据锁后，其他事务将无法修改该元数据，直到锁被释放。元数据锁将阻止并发事务对元数据的并行修改，防止出现不一致或损坏的元数据状态。

1.2.3 意向锁

意向锁（Intention Lock）用于快速判断表里是否有记录加锁。

当一个事务要获取一个表中某些行的排他锁或共享锁时，它需要首先获取该表的意向锁，可以快速判断表里是否有行记录加锁，从而避免全表扫描查询是否有记录被加锁了。

意向锁分为两种类型：

$\circ$ 意向共享锁（Intent Shared Lock，IS）：一个事务要获取某表中某些行的共享锁时，需要先获取该表的意向共享锁。意向共享锁不互斥，多个事务可以同时获取。

$\circ$ 意向排他锁（Intent Exclusive Lock，IX）：一个事务要获取某表中某些行的排他锁时，需要先获取该表的意向排他锁。意向排他锁与意向共享锁互斥，当一个事务持有意向排他锁时，其他事务无法获取该表的意向排他锁或意向共享锁。目的：为了告诉其他事务，此时这条表被一个事务在访问；作用：排除表级别读写锁 （全面扫描加锁）

例如，当一个事务要获取某表的排他锁时，它可以先检查是否已经有其他事务持有意向共享锁，如果有，则可以知道在表级上可能存在其他事务正在读取，而不必尝试获取排他锁。

1.2.4 自增锁

自增锁（Auto-Increment Lock）实现自增约束，当往表插入数据时会使用auto-inc锁来加锁，语句结束后释放锁，而不是在事务结束时释放（这和行级锁有区别，行级锁是在事务结束才释放锁）。

当一个事务要插入新数据并获取下一个自增值时，它首先会获取一个自增锁。一旦事务获得了自增锁，它就可以安全地执行插入操作，并确保每次插入都会得到一个唯一且连续的自增值。其他事务在等待自增锁被释放之前，无法获取下一个自增值，从而避免了冲突和重复。

但是，自增锁在对大量数据进行插入操作时，阻塞其他事务的插入操作，影响性能。因此， 在 Mysql 5.1.22 版本后仅对 AUTO_INCREMENT字段加上轻量级锁，当字段自增后，立即释放锁，而不需要等待整个插入语句执行完后才释放锁。

1.3 行级锁

行级锁的类型有

• 记录锁，也就是仅仅把一条（行）记录锁上；
• 间隙锁，锁定一个范围，但是不包含记录本身；
• 临键锁：记录锁 + 间隙锁的组合，锁定一个范围，并且锁定记录本身。

1.3.1 记录锁

记录锁（record lock），所以一行记录，可分为：
共享锁
共享锁（Shared Lock，也称为读锁、S锁）：多个事务可以同时获取同一行的共享锁，用于读取数据。共享锁之间不互斥，多个事务可以同时持有共享锁并进行读操作，但无法同时持有排他锁或修改锁。

1）在 SERIALIZABLE 隔离级别下，默认帮读操作加共享锁；
2）在 REPEATABLE READ 隔离级别下，需手动加共享锁，可解决幻读问题；
3）在 READ COMMITTED 隔离级别下，没必要加共享锁，采用的是 MVCC；
4）在 READ UNCOMMITTED 隔离级别下，既没有加锁也没有使用MVCC；

排他锁

排他锁（Exclusive Lock，也称为写锁、X锁）：只有一个事务可以获取同一行的排他锁，用于修改数据。排他锁与共享锁和其他排他锁互斥，一个事务持有排他锁时，其他事务无法获取共享锁或排他锁。

在4种隔离级别下，都添加了排他锁，事务提交或事务回滚后释放锁。

1.3.2 间隙锁

间隙锁（Gap Lock）用于锁定两个索引键之间的空隙（即不存在的值）。主要是锁范围，但不包含记录本身，是全开区间。RR级别及以上支持。

当一个事务执行范围查询时，可能存在其他事务在查询结果范围内插入新行或修改已有行。为了防止幻读（Phantom Read）的情况发生，间隙锁可以锁定这些空隙，以确保数据的一致性。
（解决了快照读的幻读问题。但对于当前读，仍需要手动加锁 ）

1.3.3 临键锁

临键锁（Next-Key Lock），记录锁 与 间隙锁的组合，用于锁范围和记录。包含记录本身是左开右闭区间。RR级别及以上支持，解决了幻读问题。

1.3.4 插入意向锁

插入意向锁（Insert Intention Lock）是一种间隙锁形式的意向锁，在insert 操作的时候产生。在多事务同时写入不同数据至同一索引间隙的时候，并不需要等待其他事务完成，不会发生锁等待。

假设有一个记录索引包含键值 4 和 7，两个不同的事务分别插入5 和 6，每个事务都会产生一个加在 4-7 之间的插入意向锁，获取在插入行上的排它锁，但是不会被互相锁住，因为数据行并不冲突。

1.4 锁的兼容性

1.4.1 兼容性1

锁	S	X	IS	IX	AI
S	兼容	冲突	兼容	冲突	冲突
X	冲突	冲突	冲突	冲突	冲突
IS	兼容	冲突	兼容	兼容	兼容
IX	冲突	冲突	兼容	兼容	兼容
AI	冲突	冲突	兼容	兼容	冲突

由于 innodb 支持的是行级别的锁，意向锁并不会阻塞除了全表扫描以外的任何请求。
1）意向锁之间是互相兼容的。
2）IS 只对排他锁不兼容。
3）当想为某一行添加 S 锁，先自动为所在的页和表添加意向锁IS，再为该行添加 S 锁。
4）当想为某一行添加 X 锁，先自动为所在的页和表添加意向锁IX，再为该行添加 X 锁。
5）当事务试图读或写某一条记录时，会先在表上加上意向锁，然后才在要操作的记录上加上读锁或写锁。这样判断表中是否有记录加锁就很简单了，只要看下表上是否有意向锁就行了。意向锁之间是不会产生冲突的，也不和 AUTO_INC 表锁冲突，它只会阻塞表级读锁或表级写锁，另外，意向锁也不会和行锁冲突，行锁只会和行锁冲突。

1.4.2 兼容性2

锁	Gap 持有	Insert Intention 持有	Record 持有	Next-key 持有
Gap 请求	兼容	兼容	兼容	兼容
Insert Intention 请求	冲突	兼容	兼容	冲突
Record 请求	兼容	兼容	冲突	冲突
Next-key 请求	兼容	兼容	冲突	冲突

横向：表示已经持有的锁；纵向：表示正在请求的锁；

一个事务已经获取了插入意向锁，对其他事务是没有任何影响的；

一个事务想要获取插入意向锁，如果有其他事务已经加了 gap lock 或 Next-key lock 则会阻塞；这个是重死锁之源；

二、锁的CUDP

2.1 查询

• MVCC：undo log 实现历史版本记录
• S 锁：lock in share mode
• X 锁：for update
• 不做任何处理：读未提交隔离级别使用的策略

2.2 删除、更新

自动添加 X 锁

2.3 插入

• 插入意向锁：特殊的间隙锁，同时会使用 X 锁。
• 自增锁：特殊表锁实现

三、锁的对象

行级锁是针对表的索引加锁，索引包括聚集索引和辅助索引。

表级锁是针对页或表进行加锁。

重点讨论 InnoDB 在 read committed 和 repeatable read 级别下锁的情况。

假设存在如下的students 表作为实例，其中 id 为主键，no（学号）为辅助唯一索引，name（姓名）和 age（年龄）为二级非唯一索引，score（学分）无索引。

id	no	name	age	score
15	S0001	Bob	25	34
18	S0002	Alice	24	77
20	S0003	Jim	24	5
30	S0004	Eric	23	91
37	S0005	Tom	22	22
49	S0006	Tom	25	83
50	S0007	Rose	23	89

1）聚集索引，查询命中： UPDATE students SET score = 100 WHERE id = 15;
命中就进行写操作，也就是加X锁

2）聚集索引，查询未命中： UPDATE students SET score = 100 WHERE id = 16;
未命中，加gap锁。RC级别没有gap锁，不加。
RR级别加在（15，18）间加gap锁，阻止其他事务在这个区间操作（修改、插入），避免幻读。

3）辅助唯一索引，查询命中： UPDATE students SET score =100 WHERE no = ‘S0003’;

4）辅助唯一索引，查询未命中： UPDATE students SET score = 100 WHERE no = ‘S0008’;

5）辅助非唯一索引，查询命中： UPDATE students SET score = 100 WHERE name = ‘Tom’;

RR级别下，可重复读，因此需要加gap锁，阻止其他事务再插入Tom

6）辅助非唯一索引，查询未命中： UPDATE students SET score = 100 WHERE name = ‘John’;
RR级别，按字典顺序，在JIm和Rose间插入gap锁

7）无索引： UPDATE students SET score = 100 WHERE score = 22;
在无索引的情况下，全表查询，按扫描顺序，逐行加锁，效率最低。

8）聚集索引，范围查询： UPDATE students SET score = 100 WHERE id <= 20;

9）辅助索引，范围查询： UPDATE students SET score = 100 WHERE age <= 23;

注意：事务对聚集索引 B+ 树的范围查询是按序的，不会有死锁。但是对于辅助索引 B+ 树的修改却不一定有序，可能会导致死锁。比如事务A加锁顺序1、2，事务B加锁顺序2、1

10）修改索引值： UPDATE students SET name = ‘John’ WHERE id = 15;

四、并发死锁

死锁：两个或两个以上的事务在执行过程中，因争夺锁资源而造成的一种互相等待的现象。
MySQL 中采用 wait-for graph（等待图-采用非递归深度优先的图算法实现）的方式来进行死锁检测。

4.1 相反加锁顺序导致死锁

这种情况下有两种原因造成死锁：
1）不同表的加锁顺序相反

2）相同表不同行加锁顺序相反
相同表不同行加锁顺序相反造成死锁有很多变种，其中容易忽略的是给辅助索引行加锁的时候，同时会给聚集索引行加锁；同时还可能出现在外键索引时，给父表加锁，同时隐含给子表加锁；触发器同样如此，这些都需要视情况分析。

解决办法是：调整加锁顺序；

4.2 锁冲突导致死锁

innodb 在 RR 隔离级别下，最常见的是插入意向锁与 gap 锁冲突造成死锁；主要原理为：一个事务想要获取插入意向锁，如果有其他事务已经加了 gap lock 或 Next-key lock 则会阻塞；

解决办法是：更换语句或者降低隔离级别；

4.3 如何避免死锁

1）尽可能以相同顺序来访问索引记录和表

2）如果能确定幻读和不可重复读对应用影响不大，考虑将隔离级别降低为 RC

3）添加合理的索引，不走索引将会为每一行记录加锁，死锁概率非常大

4）尽量在一个事务中锁定所需要的所有资源，减小死锁概率

5）避免大事务，将大事务分拆成多个小事务；大事务占用资源多，耗时长，冲突概率变高

6）避免同一时间点运行多个对同一表进行读写的概率；

4.4 例子

例1

DROP TABLE IF EXISTS `account_t`;
CREATE TABLE `account_t` (
	`id` INT(11) NOT NULL,
	`name` VARCHAR(255) DEFAULT NULL,
	`money` INT(11) DEFAULT 0,
	PRIMARY KEY (`id`),
	KEY `idx_name` (`name`)
)ENGINE = INNODB AUTO_INCREMENT=0 DEFAULT CHARSET = utf8;


INSERT INTO `account_t` VALUES (1, 'C', 1000),(2, 'B', 1000),(3, 'A', 1000);

SELECT * FROM account_t;

-- 相反加锁顺序死锁1
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
BEGIN
-- 死锁事务1
UPDATE `account_t` SET `money` = `money` - 100 WHERE `id` = 1;
-- 死锁事务2
-- UPDATE `account_t` SET `money` = `money` - 100 WHERE `id` = 2;
-- 死锁事务1
UPDATE `account_t` SET `money` = `money` + 100 WHERE `id` = 2;
-- 死锁事务2
-- UPDATE `account_t` SET `money` = `money` - 100 WHERE `id` = 1;

rollback

例2

DROP TABLE IF EXISTS `dl_mark_t`;
CREATE TABLE `dl_mark_t` (
  `a` INT(11) NOT NULL DEFAULT '0',
  `b` INT(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`a`),
  UNIQUE KEY `uk_b` (`b`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;


INSERT INTO `dl_mark_t` VALUES (1,1),(5,4),(20,20),(25,12);

SELECT * from dl_mark_t;
-- 死锁情况 1
/*
  事务一在插入时由于跟事务二插入的记录唯一键冲突，所以对 b=10 这个唯一索引加 S 锁（Next-key）并处于锁等待，事务二再插入 b=9 这条记录，需要获取插入意向锁（lock_mode X locks gap before rec insert intention）和事务一持有的 Next-key 锁冲突，从而导致死锁。
*/
BEGIN
-- 死锁事务 2
insert into `dl_mark_t` values(26,10);  -- a=26不存在，插入的时候加了(26,+∞)的gap锁
-- 死锁事务 1
insert into `dl_mark_t` values(30,10);  -- 获取插入意向锁，与上面的gap锁冲突(记录唯一键冲突)，对b加gap锁，进入锁等待，等待事务2释放gap锁
-- 死锁事务 2
insert into `dl_mark_t` values(40,9);   -- 获取插入意向锁，与事务1的gap锁冲突，对b加gap锁，进入锁等待，等待事务1释放gap锁


-- 死锁情况 2
/*
1. 三个事务依次执行 insert 语句，由于 b是唯一索引，所以后两个事务会出现唯一键冲突。
但此时要注意的是事务一还没有提交，所以并不会立即报错。事务二和事务三为了判断是否出现唯一键冲突，
必须进行一次当前读，加的锁是 Next-Key 锁，所以进入锁等待。要注意的是，就算在 RC 隔离级别下，一样会加 Next-Key 锁，所以说出现 GAP 锁不一定就是 RR 隔离级别;
3. 事务一回滚，此时事务二和事务三成功获取记录上的 S 锁；
4. 事务二和事务三继续执行插入操作，需要依次请求记录上的插入意向锁（插入意向锁和 GAP 锁冲突，所以事务二等待事务三，事务三等待事务二，形成死锁。
*/
BEGIN
-- 死锁事务 1
insert into `dl_mark_t` values(27, 29);
-- 死锁事务 2
insert into `dl_mark_t` values(28, 29);
-- 死锁事务 3
insert into `dl_mark_t` values(29, 29);
-- 死锁事务 1
ROLLBACK;