面試中的老大難-mysql事務(wù)和鎖，一次性講清楚！

眾所周知，事務(wù)和鎖是mysql中非常重要功能，同時(shí)也是面試的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文會(huì)詳細(xì)介紹事務(wù)和鎖的相關(guān)概念及其實(shí)現(xiàn)原理，相信大家看完之后，一定會(huì)對(duì)事務(wù)和鎖有更加深入的理解。

本文主要內(nèi)容是根據(jù)掘金小冊(cè)《從根兒上理解 MySQL》整理而來。如想詳細(xì)了解，建議購買掘金小冊(cè)閱讀。

什么是事務(wù)

在維基百科中，對(duì)事務(wù)的定義是：事務(wù)是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)執(zhí)行過程中的一個(gè)邏輯單位，由一個(gè)有限的數(shù)據(jù)庫操作序列構(gòu)成。

事務(wù)的四大特性

事務(wù)包含四大特性，即原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）和持久性（Durability）(ACID)。

1. 原子性（Atomicity）?原子性是指對(duì)數(shù)據(jù)庫的一系列操作，要么全部成功，要么全部失敗，不可能出現(xiàn)部分成功的情況。以轉(zhuǎn)賬場景為例，一個(gè)賬戶的余額減少，另一個(gè)賬戶的余額增加，這兩個(gè)操作一定是同時(shí)成功或者同時(shí)失敗的。
2. 一致性（Consistency）?一致性是指數(shù)據(jù)庫的完整性約束沒有被破壞，在事務(wù)執(zhí)行前后都是合法的數(shù)據(jù)狀態(tài)。這里的一致可以表示數(shù)據(jù)庫自身的約束沒有被破壞，比如某些字段的唯一性約束、字段長度約束等等；還可以表示各種實(shí)際場景下的業(yè)務(wù)約束，比如上面轉(zhuǎn)賬操作，一個(gè)賬戶減少的金額和另一個(gè)賬戶增加的金額一定是一樣的。
3. 隔離性（Isolation）?隔離性指的是多個(gè)事務(wù)彼此之間是完全隔離、互不干擾的。隔離性的最終目的也是為了保證一致性。
4. 持久性（Durability）?持久性是指只要事務(wù)提交成功，那么對(duì)數(shù)據(jù)庫做的修改就被永久保存下來了，不可能因?yàn)槿魏卧蛟倩氐皆瓉淼臓顟B(tài)。

事務(wù)的狀態(tài)

根據(jù)事務(wù)所處的不同階段，事務(wù)大致可以分為以下5個(gè)狀態(tài)：

1. 活動(dòng)的（active） 當(dāng)事務(wù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作正在執(zhí)行過程中，則該事務(wù)處于活動(dòng)狀態(tài)。
2. 部分提交的（partially committed） 當(dāng)事務(wù)中的最后一個(gè)操作執(zhí)行完成，但還未將變更刷新到磁盤時(shí)，則該事務(wù)處于部分提交狀態(tài)。
3. 失敗的（failed） 當(dāng)事務(wù)處于活動(dòng)或者部分提交狀態(tài)時(shí)，由于某些錯(cuò)誤導(dǎo)致事務(wù)無法繼續(xù)執(zhí)行，則事務(wù)處于失敗狀態(tài)。
4. 中止的（aborted） 當(dāng)事務(wù)處于失敗狀態(tài)，且回滾操作執(zhí)行完畢，數(shù)據(jù)恢復(fù)到事務(wù)執(zhí)行之前的狀態(tài)時(shí)，則該事務(wù)處于中止狀態(tài)。
5. 提交的（committed） 當(dāng)事務(wù)處于部分提交狀態(tài)，并且將修改過的數(shù)據(jù)都同步到磁盤之后，此時(shí)該事務(wù)處于提交狀態(tài)。

事務(wù)隔離級(jí)別

前面提到過，事務(wù)必須具有隔離性。實(shí)現(xiàn)隔離性最簡單的方式就是不允許事務(wù)并發(fā)，每個(gè)事務(wù)都排隊(duì)執(zhí)行，但是這種方式性能實(shí)在太差了。為了兼顧事務(wù)的隔離性和性能，事務(wù)支持不同的隔離級(jí)別。

為了方便表述后續(xù)的內(nèi)容，我們先建一張示例表hero。

CREATE TABLE hero (    number INT,    name VARCHAR(100),    country varchar(100),    PRIMARY KEY (number)) Engine=InnoDB CHARSET=utf8;

事務(wù)并發(fā)執(zhí)行遇到的問題

在事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)，如果不進(jìn)行任何控制，可能會(huì)出現(xiàn)以下4類問題：

• 臟寫（Dirty Write）

  臟寫是指一個(gè)事務(wù)修改了其它事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)

  。

  

  如上圖，

  Session A

  和

  Session B

  各開啟了一個(gè)事務(wù)，

  Session B

  中的事務(wù)先將

  number

  列為1的記錄的

  name

  列更新為'關(guān)羽'，然后

  Session A

  中的事務(wù)接著又把這條

  number

  列為1的記錄的

  name

  列更新為張飛。如果之后

  Session B

  中的事務(wù)進(jìn)行了回滾，那么

  Session A

  中的更新也將不復(fù)存在，這種現(xiàn)象就稱之為臟寫。

• 臟讀（Dirty Read）

  臟讀是指一個(gè)事務(wù)讀到了其它事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)。

  

  如上圖，

  Session A

  和

  Session B

  各開啟了一個(gè)事務(wù)，

  Session B

  中的事務(wù)先將

  number

  列為1的記錄的

  name

  列更新為

  '關(guān)羽'

  ，然后

  Session A

  中的事務(wù)再去查詢這條

  number

  為1的記錄，如果讀到列

  name

  的值為

  '關(guān)羽'

  ，而

  Session B

  中的事務(wù)稍后進(jìn)行了回滾，那么

  Session A

  中的事務(wù)相當(dāng)于讀到了一個(gè)不存在的數(shù)據(jù)，這種現(xiàn)象就稱之為

  臟讀。

• 不可重復(fù)讀（Non-Repeatable Read）

  不可重復(fù)讀指的是在一個(gè)事務(wù)執(zhí)行過程中，讀取到其它事務(wù)已提交的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致兩次讀取的結(jié)果不一致。

  

  如上圖，我們?cè)?/p>

  Session B

  中提交了幾個(gè)隱式事務(wù)(mysql會(huì)自動(dòng)為增刪改語句加事務(wù))，這些事務(wù)都修改了

  number

  列為1的記錄的列

  name

  的值，每次事務(wù)提交之后，如果

  Session A中

  的事務(wù)都可以查看到最新的值，這種現(xiàn)象也被稱之為

  不可重復(fù)讀。

• 幻讀（Phantom）

  幻讀是指的是在一個(gè)事務(wù)執(zhí)行過程中，讀取到了其他事務(wù)新插入數(shù)據(jù)，導(dǎo)致兩次讀取的結(jié)果不一致。

  

  如上圖，

  Session A

  中的事務(wù)先根據(jù)條件

  number > 0

  這個(gè)條件查詢表

  hero

  ，得到了

  name

  列值為

  '劉備'

  的記錄；之后

  Session B

  中提交了一個(gè)隱式事務(wù)，該事務(wù)向表

  hero

  中插入了一條新記錄；之后

  Session A

  中的事務(wù)再根據(jù)相同的條件

  number > 0

  查詢表

  hero

  ，得到的結(jié)果集中包含

  Session B

  中的事務(wù)新插入的那條記錄，這種現(xiàn)象也被稱之為幻讀。

不可重復(fù)讀和幻讀的區(qū)別在于不可重復(fù)讀是讀到的是其他事務(wù)修改或者刪除的數(shù)據(jù)，而幻讀讀到的是其它事務(wù)新插入的數(shù)據(jù)。

臟寫的問題太嚴(yán)重了，任何隔離級(jí)別都必須避免。其它無論是臟讀，不可重復(fù)讀，還是幻讀，它們都屬于數(shù)據(jù)庫的讀一致性的問題，都是在一個(gè)事務(wù)里面前后兩次讀取出現(xiàn)了不一致的情況。

四種隔離級(jí)別

在SQL標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)立了4種隔離級(jí)別，用來解決上面的讀一致性問題。不同的隔離級(jí)別可以解決不同的讀一致性問題。

• READ UNCOMMITTED：未提交讀。
• READ COMMITTED：已提交讀。
• REPEATABLE READ：可重復(fù)讀。
• SERIALIZABLE：串行化。

各個(gè)隔離級(jí)別下可能出現(xiàn)的讀一致性問題如下：

InnoDB支持四個(gè)隔離級(jí)別（和SQL標(biāo)準(zhǔn)定義的基本一致）。隔離級(jí)別越高，事務(wù)的并發(fā)度就越低。唯一的區(qū)別就在于，InnoDB?在可重復(fù)讀（REPEATABLE READ）的級(jí)別就解決了幻讀的問題。這也是InnoDB使用可重復(fù)讀?作為事務(wù)默認(rèn)隔離級(jí)別的原因。

MVCC

MVCC(Multi Version Concurrency Control)，中文名是多版本并發(fā)控制，簡單來說就是通過維護(hù)數(shù)據(jù)歷史版本，從而解決并發(fā)訪問情況下的讀一致性問題。

版本鏈

在InnoDB中，每行記錄實(shí)際上都包含了兩個(gè)隱藏字段：事務(wù)id(trx_id)和回滾指針(roll_pointer)。

1. trx_id：事務(wù)id。每次修改某行記錄時(shí)，都會(huì)把該事務(wù)的事務(wù)id賦值給trx_id隱藏列。
2. roll_pointer：回滾指針。每次修改某行記錄時(shí)，都會(huì)把undo日志地址賦值給roll_pointer隱藏列。

假設(shè)hero表中只有一行記錄，當(dāng)時(shí)插入的事務(wù)id為80。此時(shí)，該條記錄的示例圖如下：

假設(shè)之后兩個(gè)事務(wù)id分別為100、200的事務(wù)對(duì)這條記錄進(jìn)行UPDATE操作，操作流程如下：

由于每次變動(dòng)都會(huì)先把undo日志記錄下來，并用roll_pointer指向undo日志地址。因此可以認(rèn)為，對(duì)該條記錄的修改日志串聯(lián)起來就形成了一個(gè)版本鏈，版本鏈的頭節(jié)點(diǎn)就是當(dāng)前記錄最新的值。如下：

ReadView

如果數(shù)據(jù)庫隔離級(jí)別是未提交讀（READ UNCOMMITTED），那么讀取版本鏈中最新版本的記錄即可。如果是是串行化（SERIALIZABLE），事務(wù)之間是加鎖執(zhí)行的，不存在讀不一致的問題。但是如果是已提交讀（READ COMMITTED）或者可重復(fù)讀（REPEATABLE READ），就需要遍歷版本鏈中的每一條記錄，判斷該條記錄是否對(duì)當(dāng)前事務(wù)可見，直到找到為止(遍歷完還沒找到就說明記錄不存在)。InnoDB通過ReadView實(shí)現(xiàn)了這個(gè)功能。ReadView中主要包含以下4個(gè)內(nèi)容：

• m_ids：表示在生成ReadView時(shí)當(dāng)前系統(tǒng)中活躍的讀寫事務(wù)的事務(wù)id列表。
• min_trx_id：表示在生成ReadView時(shí)當(dāng)前系統(tǒng)中活躍的讀寫事務(wù)中最小的事務(wù)id，也就是m_ids中的最小值。
• max_trx_id：表示生成ReadView時(shí)系統(tǒng)中應(yīng)該分配給下一個(gè)事務(wù)的id值。
• creator_trx_id：表示生成該ReadView事務(wù)的事務(wù)id。

有了ReadView之后，我們可以基于以下步驟判斷某個(gè)版本的記錄是否對(duì)當(dāng)前事務(wù)可見。

1. 如果被訪問版本的trx_id屬性值與ReadView中的creator_trx_id值相同，意味著當(dāng)前事務(wù)在訪問它自己修改過的記錄，所以該版本可以被當(dāng)前事務(wù)訪問。
2. 如果被訪問版本的trx_id屬性值小于ReadView中的min_trx_id值，表明生成該版本的事務(wù)在當(dāng)前事務(wù)生成ReadView前已經(jīng)提交，所以該版本可以被當(dāng)前事務(wù)訪問。
3. 如果被訪問版本的trx_id屬性值大于或等于ReadView中的max_trx_id值，表明生成該版本的事務(wù)在當(dāng)前事務(wù)生成ReadView后才開啟，所以該版本不可以被當(dāng)前事務(wù)訪問。
4. 如果被訪問版本的trx_id屬性值在ReadView的min_trx_id和max_trx_id之間，那就需要判斷一下trx_id屬性值是不是在m_ids列表中，如果在，說明創(chuàng)建ReadView時(shí)生成該版本的事務(wù)還是活躍的，該版本不可以被訪問；如果不在，說明創(chuàng)建ReadView時(shí)生成該版本的事務(wù)已經(jīng)被提交，該版本可以被訪問。

在MySQL中，READ COMMITTED和REPEATABLE READ隔離級(jí)別的的一個(gè)非常大的區(qū)別就是它們生成ReadView的時(shí)機(jī)不同。READ COMMITTED在每次讀取數(shù)據(jù)前都會(huì)生成一個(gè)ReadView，這樣就能保證每次都能讀到其它事務(wù)已提交的數(shù)據(jù)。REPEATABLE READ?只在第一次讀取數(shù)據(jù)時(shí)生成一個(gè)ReadView，這樣就能保證后續(xù)讀取的結(jié)果完全一致。

鎖

事務(wù)并發(fā)訪問同一數(shù)據(jù)資源的情況主要就分為讀-讀、寫-寫和讀-寫三種。

1. 讀-讀?即并發(fā)事務(wù)同時(shí)訪問同一行數(shù)據(jù)記錄。由于兩個(gè)事務(wù)都進(jìn)行只讀操作，不會(huì)對(duì)記錄造成任何影響，因此并發(fā)讀完全允許。
2. 寫-寫?即并發(fā)事務(wù)同時(shí)修改同一行數(shù)據(jù)記錄。這種情況下可能導(dǎo)致臟寫問題，這是任何情況下都不允許發(fā)生的，因此只能通過加鎖實(shí)現(xiàn)，也就是當(dāng)一個(gè)事務(wù)需要對(duì)某行記錄進(jìn)行修改時(shí)，首先會(huì)先給這條記錄加鎖，如果加鎖成功則繼續(xù)執(zhí)行，否則就排隊(duì)等待，事務(wù)執(zhí)行完成或回滾會(huì)自動(dòng)釋放鎖。
3. 讀-寫?即一個(gè)事務(wù)進(jìn)行讀取操作，另一個(gè)進(jìn)行寫入操作。這種情況下可能會(huì)產(chǎn)生臟讀、不可重復(fù)讀、幻讀。最好的方案是讀操作利用多版本并發(fā)控制（MVCC），寫操作進(jìn)行加鎖。

鎖的粒度

按鎖作用的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行分類的話，鎖可以分為行級(jí)鎖和表級(jí)鎖。

1. 行級(jí)鎖：作用在數(shù)據(jù)行上，鎖的粒度比較小。
2. 表級(jí)鎖：作用在整張數(shù)據(jù)表上，鎖的粒度比較大。

鎖的分類

為了實(shí)現(xiàn)讀-讀之間不受影響，并且寫-寫、讀-寫之間能夠相互阻塞，Mysql使用了讀寫鎖的思路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，具體來說就是分為了共享鎖和排它鎖：

1. 共享鎖(Shared Locks)：簡稱S鎖，在事務(wù)要讀取一條記錄時(shí)，需要先獲取該記錄的S鎖。S鎖可以在同一時(shí)刻被多個(gè)事務(wù)同時(shí)持有。我們可以用select ...... lock in share mode;的方式手工加上一把S鎖。
2. 排他鎖(Exclusive Locks)：簡稱X鎖，在事務(wù)要改動(dòng)一條記錄時(shí)，需要先獲取該記錄的X鎖。X鎖在同一時(shí)刻最多只能被一個(gè)事務(wù)持有。X鎖的加鎖方式有兩種，第一種是自動(dòng)加鎖，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改的時(shí)候，都會(huì)默認(rèn)加上一個(gè)X鎖。還有一種是手工加鎖，我們用一個(gè)FOR UPDATE給一行數(shù)據(jù)加上一個(gè)X鎖。

還需要注意的一點(diǎn)是，如果一個(gè)事務(wù)已經(jīng)持有了某行記錄的S鎖，另一個(gè)事務(wù)是無法為這行記錄加上X鎖的，反之亦然。

除了共享鎖(Shared Locks)和排他鎖(Exclusive Locks)，Mysql還有意向鎖(Intention Locks)。意向鎖是由數(shù)據(jù)庫自己維護(hù)的，一般來說，當(dāng)我們給一行數(shù)據(jù)加上共享鎖之前，數(shù)據(jù)庫會(huì)自動(dòng)在這張表上面加一個(gè)意向共享鎖(IS鎖)；當(dāng)我們給一行數(shù)據(jù)加上排他鎖之前，數(shù)據(jù)庫會(huì)自動(dòng)在這張表上面加一個(gè)意向排他鎖(IX鎖)。意向鎖可以認(rèn)為是S鎖和X鎖在數(shù)據(jù)表上的標(biāo)識(shí)，通過意向鎖可以快速判斷表中是否有記錄被上鎖，從而避免通過遍歷的方式來查看表中有沒有記錄被上鎖，提升加鎖效率。例如，我們要加表級(jí)別的X鎖，這時(shí)候數(shù)據(jù)表里面如果存在行級(jí)別的X鎖或者S鎖的，加鎖就會(huì)失敗，此時(shí)直接根據(jù)意向鎖就能知道這張表是否有行級(jí)別的X鎖或者S鎖。

InnoDB中的表級(jí)鎖

InnoDB中的表級(jí)鎖主要包括表級(jí)別的意向共享鎖(IS鎖)和意向排他鎖(IX鎖)以及自增鎖(AUTO-INC鎖)。其中IS鎖和IX鎖在前面已經(jīng)介紹過了，這里不再贅述，我們接下來重點(diǎn)了解一下AUTO-INC鎖。

大家都知道，如果我們給某列字段加了AUTO_INCREMENT自增屬性，插入的時(shí)候不需要為該字段指定值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保證遞增。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)給AUTO_INCREMENT修飾的列遞增賦值的原理主要是兩個(gè)：

1. AUTO-INC鎖：在執(zhí)行插入語句的時(shí)先加上表級(jí)別的AUTO-INC鎖，插入執(zhí)行完成后立即釋放鎖。如果我們的插入語句在執(zhí)行前無法確定具體要插入多少條記錄，比如INSERT ... SELECT這種插入語句，一般采用AUTO-INC鎖的方式。
2. 輕量級(jí)鎖：在插入語句生成AUTO_INCREMENT值時(shí)先才獲取這個(gè)輕量級(jí)鎖，然后在AUTO_INCREMENT值生成之后就釋放輕量級(jí)鎖。如果我們的插入語句在執(zhí)行前就可以確定具體要插入多少條記錄，那么一般采用輕量級(jí)鎖的方式對(duì)AUTO_INCREMENT修飾的列進(jìn)行賦值。這種方式可以避免鎖定表，可以提升插入性能。

mysql默認(rèn)根據(jù)實(shí)際場景自動(dòng)選擇加鎖方式，當(dāng)然也可以通過innodb_autoinc_lock_mode強(qiáng)制指定只使用其中一種。

InnoDB中的行級(jí)鎖

前面說過，通過MVCC可以解決臟讀、不可重復(fù)讀、幻讀這些讀一致性問題，但實(shí)際上這只是解決了普通select語句的數(shù)據(jù)讀取問題。事務(wù)利用MVCC進(jìn)行的讀取操作稱之為快照讀，所有普通的SELECT語句在READ COMMITTED、REPEATABLE READ隔離級(jí)別下都算是快照讀。除了快照讀之外，還有一種是鎖定讀，即在讀取的時(shí)候給記錄加鎖，在鎖定讀的情況下依然要解決臟讀、不可重復(fù)讀、幻讀的問題。由于都是在記錄上加鎖，這些鎖都屬于行級(jí)鎖。

InnoDB的行鎖，是通過鎖住索引來實(shí)現(xiàn)的，如果加鎖查詢的時(shí)候沒有使用過索引，會(huì)將整個(gè)聚簇索引都鎖住，相當(dāng)于鎖表了。根據(jù)鎖定范圍的不同，行鎖可以使用記錄鎖(Record Locks)、間隙鎖(Gap Locks)和臨鍵鎖(Next-Key Locks)的方式實(shí)現(xiàn)。假設(shè)現(xiàn)在有一張表t，主鍵是id。我們插入了4行數(shù)據(jù)，主鍵值分別是 1、4、7、10。接下來我們就以聚簇索引為例，具體介紹三種形式的行鎖。

• 記錄鎖(Record Locks) 所謂記錄，就是指聚簇索引中真實(shí)存放的數(shù)據(jù)，比如上面的1、4、7、10都是記錄。

  

  顯然，記錄鎖就是直接鎖定某行記錄。當(dāng)我們使用唯一性的索引(包括唯一索引和聚簇索引)進(jìn)行等值查詢且精準(zhǔn)匹配到一條記錄時(shí)，此時(shí)就會(huì)直接將這條記錄鎖定。例如

  select * from t where id =4 for update;

  就會(huì)將

  id=4

  的記錄鎖定。

• 間隙鎖(Gap Locks) 間隙指的是兩個(gè)記錄之間邏輯上尚未填入數(shù)據(jù)的部分，比如上述的(1,4)、(4,7)等。

  

  同理，間隙鎖就是鎖定某些間隙區(qū)間的。當(dāng)我們使用用等值查詢或者范圍查詢，并且沒有命中任何一個(gè)

  record

  ，此時(shí)就會(huì)將對(duì)應(yīng)的間隙區(qū)間鎖定。例如

  select * from t where id =3 for update;

  或者

  select * from t where id > 1 and id < 4 for update;

  就會(huì)將(1,4)區(qū)間鎖定。

• 臨鍵鎖(Next-Key Locks) 臨鍵指的是間隙加上它右邊的記錄組成的左開右閉區(qū)間。比如上述的(1,4]、(4,7]等。

  

  臨鍵鎖就是記錄鎖(Record Locks)和間隙鎖(Gap Locks)的結(jié)合，即除了鎖住記錄本身，還要再鎖住索引之間的間隙。當(dāng)我們使用范圍查詢，并且命中了部分

  record

  記錄，此時(shí)鎖住的就是臨鍵區(qū)間。注意，臨鍵鎖鎖住的區(qū)間會(huì)包含最后一個(gè)record的右邊的臨鍵區(qū)間。例如

  select * from t where id > 5 and id <= 7 for update;

  會(huì)鎖住(4,7]、(7,+∞)。mysql默認(rèn)行鎖類型就是

  臨鍵鎖(Next-Key Locks)

  。當(dāng)使用唯一性索引，等值查詢匹配到一條記錄的時(shí)候，臨鍵鎖(Next-Key Locks)會(huì)退化成記錄鎖；沒有匹配到任何記錄的時(shí)候，退化成間隙鎖。

間隙鎖(Gap Locks)和臨鍵鎖(Next-Key Locks)都是用來解決幻讀問題的，在已提交讀（READ COMMITTED）隔離級(jí)別下，間隙鎖(Gap Locks)和臨鍵鎖(Next-Key Locks)都會(huì)失效！