关于 InnoDB 锁的超全总结

Posted 2021-03-06 michael9

几个月之前，开始深入学习 mysql 。说起数据库，并发控制是其中很重要的一部分。于是，就这样开起了 MySQL 锁的学习，随着学习的深入，发现想要更好的理解锁，需要了解 MySQL 事务，数据底层的存储方式，MySQL 的执行流程，特别是索引的选择等。

在学习期间，查找了不少资料，现根据个人的理解总结下来，方便日后复习。

InnoDB 锁一览

先从 MySQL 官网的锁介绍开始，来逐一认识下这些让我们夜不能寐的小王八蛋：

Shared and Exclusive Locks

这二位正式称呼呢，就是共享锁和排他锁，其实就是我们常说的读锁和写锁。它们之间的互斥规则，想必都清楚，就不赘述了。但有一点需要注意，共享锁和排他锁是标准的实现行级别的锁。举例来说，当给 select 语句应用 lock in share mode 或者 for update，或者更新某条记录时，加的都是行级别的锁。

与行级别的共享锁和排他锁类似的，还有表级别的共享锁和排他锁。如 LOCK TABLES ... WRITE/READ 等命令，实现的就是表级锁。

Intention Locks

在 InnoDB 中是支持多粒度的锁共存的，比如表锁和行锁。而 Intention Locks - 意向锁，就是表级锁。和行级锁一样，意向锁分为 intention shared lock (IS) 和 intention exclusive lock (IX) . 但有趣的是，IS 和 IX 之间并不互斥，也就是说可以同时给不同的事务加上 IS 和 IX. 兼容性如下：

这时就产生疑问了，那它俩存在的意义是什么？作用就是，和共享锁和排他锁互斥。注意下，这里指的是表级别的共享锁和排他锁，和行级别没有关系！

官网中给了这样一段解释：

The main purpose of intention locks is to show that someone is locking a row, or going to lock a row in the table.

意向锁的目的就是表明有事务正在或者将要锁住某个表中的行。想象这样一个场景，我们使用 select * from t where id=0 for update; 将 id=0 这行加上了写锁。假设同时，一个新的事务想要发起 LOCK TABLES ... WRITE 锁表的操作，这时如果没有意向锁的话，就需要去一行行检测是否所在表中的某行是否存在写锁，从而引发冲突，效率太低。相反有意向锁的话，在发起 lock in share mode 或者 for update 前就会自动加上意向锁，这样检测起来就方便多了。

在实际中，手动锁表的情况并不常见，所以意向锁并不常用。特别是之后 MySQL 引入了 MDL 锁，解决了 DML 和 DDL 冲突的问题，意向锁就更不被提起来了。

Record Locks

record lock ，就是常说的行锁。InnoDB 中，表都以索引的形式存在，每一个索引对应一颗 B+ 树，这里的行锁锁的就是 B+ 中的索引记录。之前提到的共享锁和排他锁，就是将锁加在这里。

Gap Locks

Gap Locks, 间隙锁锁住的是索引记录间的空隙，是为了解决幻读问题被引入的。有一点需要注意，间隙锁和间隙锁本身之间并不冲突，仅仅和插入这个操作发生冲突。

Next-Key lock

next-key lock 是行锁（Record）和间隙锁的并集。在 RR 级别下，InnoDB 使用 next-key 锁进行树搜索和索引扫描。记住这句话，加锁的基本单位是 next-key lock.

加锁规则

该加锁原则由林晓斌老师刷代码后总结，符合的版本如下：

1. MySQL 版本：5.x - 5.7.24， 8.0 - 8.0.13. 我是 5.7.27 也未发现问题。

规则包括：两个“原则”、两个“优化”和一个“bug”。

1. 原则1：加锁的基本单位是 next-key lock。next-key lock 是前开后闭区间。
2. 原则2：查找过程中访问到的对象才会加锁。
3. 优化1：索引上的等值查询，给唯一索引加锁的时候，next-key lock 退化为行锁。
4. 优化2：索引上的等值查询，向右遍历时且最后一个值不满足等值条件的时候，next-key lock 退化为间隙锁。
5. 一个 bug：唯一索引上的范围查询会访问到不满足条件的第一个值为止。

解释下容易理解错误的地方：

1. 对优化 2 的说明：

   从等值查询的值开始，向右遍历到第一个不满足等值条件记录结束，然后将不满足条件记录的 next-key 退化为间隙锁。

2. 等值查询和遍历有什么关系？

   在分析加锁行为时，一定要从索引的数据结构开始。通过树搜索的方式定位索引记录时，用的是"等值查询"，而遍历对应的是在记录上向前或向后扫描的过程。

应用场景

表结构如下：

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

insert into t values(0,0,0),(5,5,5),
(10,10,10),(15,15,15),(20,20,20),(25,25,25);

场景1：主键索引等值间歇锁

Session A	Session B	Session C
begin;
update t set d=d+1 where id=7;
	insert into t values(8,8,8);
	被阻塞	update t set d=d+1 where id=10;
		查询正常

其中 id 列为主键索引，并且 id=7 的行并不存在。

对于 Session A 来说：

1. 根据原则1，加锁的单位是 next-key, 因为 id=7 在 5 - 10 间，next-key 默认是左开右闭。所以范围是 (5,10].
2. 根据优化2，但因为 id=7 是等值查询，到 id=10 结束。next-key 退化成间隙锁 (5,10).

对于 Session B 来说：

• 插入操作与间隙锁冲突，所以失败。

对于 Session C 来说：

1. 根据原则1，next-key 加锁 (5,10].
2. 根据优化1：给唯一索引加锁时，退化成行锁。范围变为：id=10 的行锁
3. Session C 和 Session A (5,10) 并不起冲突，所以成功。

这里可以看出，行锁和间隙锁都是有 next-key 锁满足一定后条件后转换的，加锁的默认单位是 next-key.

场景2：非唯一索引等值锁

Session A	Session B	Session C
begin;
select id from t where c=5 lock in share mode;
	update t set d=d+1 where id=5;
	查询正常	insert into t values(7,7,7);
		被阻塞

关注几点：c为非唯一索引，查询的字段仅有 id，lock in share mode 给满足条件的行加上读锁。

Session A：

1. c=5，等值查询且值存在。先加 next-key 锁，范围为 (0,5].
2. 由于 c 是普通索引，因此仅访问 c=5 这一条记录不会停止，会继续向右遍历，到 10 结束。根据原则2，这时会给 id=10 加 next-key (5,10].
3. 但 id=10 同时满足优化2，退化成间隙锁 (5,10).
4. 根据原则2，该查询使用覆盖索引，可以直接得到 id 的值，主键索引未被访问到，不加锁。

Session B：

1. 根据原则1 和优化1，给 id=10 的主键索引加行锁，并不冲突，修改成功。

Session C：

1. 由于 Session A 已经对索引 c 中 (5,10) 的间隙加锁，与插入 c=7 冲突， 所以被阻塞。

可以看出，加锁其实是在索引上，并且只加在访问到的记录上，如果想要在 lock in share mode 下避免数据被更新，需要引入覆盖索引不能包含的字段。

假设将 Session A 的语句改成 select id from t where c=5 for update;, for update 表示可能当前事务要更新数据，所以也会给满足的条件的主键索引加锁。这时 Session B 就会被阻塞了。

场景3：非唯一索引等值锁-锁主键

Session A	Session B
begin;
select id from t where c=5 lock in share mode;
	insert into t values(9,10,7);
	被阻塞

和场景 2 很相似，该例主要是为了更好的说明间隙的概念。

Session A 的加锁范围不变，给索引 C 加了 (0,5] 和 (5,10) 的行锁。需要知道的是，非唯一索引形成的 key，需要包含主键 id，用于保证唯一性，画个图如下。

由图中可知，由于非唯一索引存在主键id，并且按照 B+ 树的排序规则，不光 c 的值在加锁范围内不能被更改和插入，对应 id 的范围也不能被更改。怎么理解这句话呢，上个例子不是说，主键索引不会被加锁，怎么这里的主键 id 又被锁了呢？

首先主键索引是另外一颗B+树确实没有被锁，但这里由于 C 是非唯一索引，形成的B+树需要将主键索引的 Id 包含进来，并在按照先 c 字段，后 id 字段进行排序。这样，在给 c 字段加行锁时，对应的 id 也同时加了行锁。

上面例子中，Session2 更新成功是因为修改的是 d 地段，并没有更新 id 的值，所以成功了。而这里想要插入的 (id=6, c=10), 虽然 c=10 没有锁，但 id=6 却在锁的范围内，所以这里就被阻塞了。同样插入 (id=100,c=6) 也会被阻塞。

也就说，对于非唯一索引，考虑加锁范围时要考虑到主键 Id 的情况。

场景4：主键索引范围锁

Session A	Session B	Session C
begin;
select * from t where id>=10 and id <11 for update;
	insert into t values(8,8,8);
	正常
	insert into t values(13,13,13);
	被阻塞
		update t set d=d+1 where id=15;
		被阻塞

Session A：

1. 先找到 id=10 行，属于等值查询。根据原则1，优化1，范围是 id=10 这行。
2. 向后遍历，属于范围查询，找到 id=15 这行，根据原则2，范围是 (10,15]

Session B：

1. 插入 (8,8,8) 可以，(13,13,13) 就不行了。

Session C：

1. id=15 同样在锁的范围内，所以也被阻塞。

场景5：非唯一索引范围锁

Session A	Session B	Session C
begin;
select * from t where c>=10 and c <11 for update;
	insert into t values(8,8,8);
	被阻塞
	insert into t values(13,13,13);
	被阻塞
		update t set d=d+1 where c=15;
		被阻塞

Session A：

1. 由于 c 是非唯一索引，索引对于 c=10 等值查询来说，根据原则1，加锁范围为 (5,10].
2. 向右遍历，范围查询，加锁范围为 (10,15].

Session B:

1. (8,8,8) 和 (13,13,13) 都冲突，所以被阻塞。

Session C:

1. c=5 也被锁住，也会被阻塞。

场景6：唯一索引范围锁 bug

Session A	Session B	Session C
begin;
select * from t where id>10 and id <=15 for update;
	update t set d=d+1 where id=20;
	被阻塞
		insert into t values(16,16,16);
		被阻塞

Session A：

1. 由于开始找大于 10 的过程中是第一次是范围查询，所以没有优化原则。加 (10,15].
2. 有一个特殊的地方，理论上说由于 id 是唯一主键，找到 id=15 就应该停下来了，但实际没有。根据 bug 原则，会继续扫描第一个不满足的值为止，接着找到 id=20，因为是范围查找，没有优化原则，继续加锁 (15,20].

这个 bug 在 8.0.18 后已经修复了

对于 Session B 和 Session C 均和加锁的范围冲突。

场景7：非唯一索引 delete

Session A	Session B	Session C
begin;
delete from t where c=10;
	insert into t values(12,12,12)
	被阻塞
		update t set d=d+1 where c=15;
		成功

delete 后加 where 语句和 select * for update 语句的加锁逻辑类似。

Session A:

1. 根据原则1，加 (5,10] 的 next-key.
2. 向右遍历，根据优化2，加 (10,15) 的间歇锁。

场景8：非唯一索引 limit

Session A	Session B
begin;
delete from t where c=10 limit 1;
	insert into t values(12,12,12)
	正常

虽然 c=10 只有一条记录，但和场景7 的加锁范围不同。

Session A:

1. 根据原则1，加 (5,10] 的 next-key.
2. 因为加了 limit 1，所以找到一条就可以了，不需要继续遍历，也就是说不在加锁。

所以对于 session B 来说，就不在阻塞。

场景9：next-key 引发死锁

Session A	Session B
begin;
select id from t where c=10 lock in share mode;
	update t set d=d+1 where c=10;
	被阻塞
insert into t values(8,8,8)
	ERROR 1213 (40001): Deadlock found when trying to get lock; try restarting transaction

1. Session A 第一句 加 (5,10] next-key. 和 (10,15) 的 间隙锁。
2. Session B，和 Session A 想要的加锁范围相同，先加 (5,10] next-key 发现被阻塞，后面 (10,15) 没有被加上，暂时等待。
3. Session A，加入 (8,8,8) 和 Session B 的加锁范围 (5,10] 冲突，被阻塞。形成 A,B 相互等待的情况。引发死锁检测，释放 Session B.

假如把 insert into t values(8,8,8) 改成 insert into t values(11,11,11) 是可以的，因为 Session B 的间歇锁 (10,15) 没有被加上。

分析下死锁：

mysql> show engine innodb statusG;
------------------------
LATEST DETECTED DEADLOCK
------------------------
2020-03-08 17:04:10 0x7f9be0057700
*** (1) TRANSACTION:
TRANSACTION 836108, ACTIVE 16 sec starting index read
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT 2 lock struct(s), heap size 1136, 1 row lock(s)
MySQL thread id 1653, OS thread handle 140307320846080, query id 1564409 localhost cisco updating
update t set d=d+1 where c=10
*** (1) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 251 page no 4 n bits 80 index c of table `my_test`.`t` trx id 836108 lock_mode X waiting
Record lock, heap no 4 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
 0: len 4; hex 8000000a; asc     ;;
 1: len 4; hex 8000000a; asc     ;;

*** (2) TRANSACTION:
TRANSACTION 836109, ACTIVE 22 sec inserting
mysql tables in use 1, locked 1
5 lock struct(s), heap size 1136, 3 row lock(s), undo log entries 1
MySQL thread id 1655, OS thread handle 140307455112960, query id 1564410 localhost cisco update
insert into t values(8,8,8)
*** (2) HOLDS THE LOCK(S):
RECORD LOCKS space id 251 page no 4 n bits 80 index c of table `my_test`.`t` trx id 836109 lock mode S
Record lock, heap no 4 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
 0: len 4; hex 8000000a; asc     ;;
 1: len 4; hex 8000000a; asc     ;;

*** (2) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 251 page no 4 n bits 80 index c of table `my_test`.`t` trx id 836109 lock_mode X locks gap before rec insert intention waiting
Record lock, heap no 4 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
 0: len 4; hex 8000000a; asc     ;;
 1: len 4; hex 8000000a; asc     ;;

*** WE ROLL BACK TRANSACTION (1)

1. (1) TRANSACTION 表明发生死锁的第一个事务信息。
2. (2) TRANSACTION 表明发生死锁的第二个事务信息。
3. WE ROLL BACK TRANSACTION (1) 表明死锁的处理方案。

针对 (1) TRANSACTION:

1. (1) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED 表示 update t set d=d+1 where c=10 要申请写锁,并处于锁等待的情况。
2. 申请的对象是 n_fields 2，hex 8000000a; 和 hex 8000000a;, 也就是 id=10 和 c=10 的记录。

针对 (1) TRANSACTION:

1. HOLDS THE LOCK(S): 表示当前事务2持有的锁是 :hex 8000000a; 和 hex 8000000a;.
2. WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED: 表示对于 insert into t values(8,8,8) 进行所等待。
3. lock_mode X locks gap before rec insert intention waiting: 表明在插入意向锁时，等待一个间隙锁( gap before rec)。

所以最后选择，回滚事务 (1)。

场景10：非唯一索引 order by

Session A	Session B
begin;
select * from t where c>=15 and c<=20 order by c desc lock in share mode;
	insert into t values(6,6,6);
	被阻塞

在分析具体的加锁过程时，先要分析语句的执行顺序。如 Session A 中使用了 ordery by c desc 按照降序排列的语句，这就意味着需要在索引树 C 上，找到第一个 20 的值，然后向左遍历。并且由于 C 是非唯一索引 20 的值应该是记录中最右边的值。

Session A 的加锁过程：

1. 在找到第一个 c=20 的值后，加 next-key (15,20].
2. 但不会停下，因为无法确定当前 c=20 是最右面的值，继续遍历到 c=25，发现不满足，根据优化2，加 (20,25) 的间隙锁。
3. 然后从最左面的 c=20 向左遍历，找到 c=15，加锁 next-key (10,15].
4. 和之前是一样，无法确定 c=15 是最左面的值，继续遍历到 c=10，根据优化2，加(5,10)的间隙锁 。
5. 最后由于是 select * 对应主键索引 id=10,15,20 加行锁。

场景 11：INSERT INTO .... SELECT ...

Session A	Session B
begin;	begin;
insert into t values(1,1,1);
	insert into t (id,c,d) select 1,1,1 from t where id=1;
	被阻塞

为了保证数据的一致性，对于 INSERT INTO .... SELECT ... 中 select 部分会加 next-key 的读锁。

对于 Session A，在插入数据后，有了 id=1 的行锁。而 Session B 中的 select 虽然是一致性读，但会加上 id=1 的读锁。与 Session A 冲突，所以被阻塞。

场景12：不等号条件里的等值查询

begin;
select * from t where id>9 and id<12 order by id desc for update;

1. 这里由于是 order by 语句，优化器会先找到第一个比 12 小的值。在索引树搜索过程后，其实要找到 id=12 的值，但没有找到，向右遍历找到 id=15，所以加锁 (10,15].

2. 但由于第一次查找是等值查找（在索引树上搜索），根据优化2，变为间隙锁 (10,15).

3. 然后向左遍历，变为范围查询，找到 id=5 这行，加 (0,5] 的 next-key.

场景 13：等值查询 in

begin;
select id from t where c in(5,20,10) lock in share mode;

mysql> explain select id from t where c in (5,20,10) lock in share modeG;
*************************** 1. row ***************************
           id: 1
  select_type: SIMPLE
        table: t
   partitions: NULL
         type: range
possible_keys: c
          key: c
      key_len: 5
          ref: NULL
         rows: 3
     filtered: 100.00
        Extra: Using where; Using index
1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

ERROR:
No query specified

rows=3 并且使用索引 c，说明三个值都是通过 B+ 树搜索定位的。

1. 先查找 c=5，锁住 (0,5]. 由于 c 不是唯一索引，向右遍历到 c=10，开始是等值查找，加 (5,10).
2. 查找 c=15，锁住 (10,15], 再加 (15,20).
3. 最后查找 c=20，锁住 (15,20]. 再加 (20,25).

可见，在 MySQL 中，锁是一个个逐步加的。

假设还有一个这样的语句：

select id from t where c in(5,20,10) order by c desc for update;

由于是 order by c desc，虽然这里的加锁范围没有变，但是加锁的顺序发生了改变，会按照 c=20，c=10，c=5. 的顺序加锁。虽然说间隙锁本身并不冲突，但记录锁却会。这样如果是两个语句并发的情况，就可能发生死锁，第一个语句拥有了 c5 的行锁，请求c=10 的行锁。当第二个语句，拥有了 c=10 的行锁，请求 c=5 的行锁。

场景14：GAP 动态锁

Session A	Session B
begin;
select * from t where id>10 and id<=15 for update;
	delete from t where id=10;
	成功
	insert into t values(10,10,10);
	被阻塞。

这里 insert 被阻塞，就是因为间隙锁是个动态的概念，Session B 在删除 id=10 的记录后，Session A 持有的间隙变大。

对于 Session A 原来持有，(10,15] 和 (15,20] 的 next-key 锁。 Session B 删除 id=10 的记录后，(10,15] 变成了 (5,15] 的间隙。所以之后就插入不回去了。

场景15：update Gap 动态锁

Session A	Session B
begin;
select * from t where id> 5 lock in share mode;
	update t set c=1 where c = 5;
	成功
	update t set c=5 where c = 1;
	被阻塞。

Session A 加锁：(5,10], (10,15], (15,20], (20,25], (25,supermum].

c>5 第一个找到的是 c=10，并且是范围查找，没有优化原则。

Session B 的 update 可以拆成两步：

1. 插入 (c=1,id=5).
2. 删除 (c=5,id=5).

或者理解成，加(0.5] next-key 和 (5,10) 的间隙锁，但间隙锁不冲突。

修改后 Session A 的锁变为;

(c=1, 10], (10,15], (15,20], (20,25], (25,supermum].

接下来：update t set c=1 where c = 1

1. 插入 (c=5,id=5).
2. 删除 (c=1,id=5).

第一步插入意向锁和间隙锁冲突。

参考

InnoDB-locking

加锁过程

explain rows