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并发控制 mysql InnoDB表锁

2013-09-09  桑枯海

InnoDB锁问题
InnoDB与MyISAM的最大不同有两点:一是支持事务(TRANSACTION);二是采用了行级锁。行级锁与表级锁本来就有许多不同之处,另外,事务的引入也带来了一些新问题。下面我们先介绍一点背景知识,然后详细讨论InnoDB的锁问题。
背景知识
1.事务(Transaction)及其ACID属性
事务是由一组SQ语句组成的逻辑处理单元,事务具有以下4个属性,通常简称为事务的ACID属性。
     原子性(Atomicity):事务是一个原子操作单元,其对数据的修改,要么全都执行,要么全都不执行。
      一致性(Consistent):在事务开始和完成时,数据都必须保持一致状态。这意味着所有相关的数据规则都必须应用于事务的修改,以保持数据的完整性;事务结束时,所有的内部数据结构(如B树索引或双向链表)也都必须是正确的。
     隔离性(Isoation):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。这意味着事务处理过程中的中间状态对外部是不可见的,反之亦然。
     持久性(Durabe):事务完成之后,它对于数据的修改是永久性的,即使出现系统故障也能够保持。
银行转帐就是事务的一个典型例子。
2.并发事务处理带来的问题
相对于串行处理来说,并发事务处理能大大增加数据库资源的利用率,提高数据库系统的事务吞吐量,从而可以支持更多的用户。但并发事务处理也会带来一些问题,主要包括以下几种情况。
     更新丢失(ost Update):当两个或多个事务选择同一行,然后基于最初选定的值更新该行时,由于每个事务都不知道其他事务的存在,就会发生丢失更新问题--最后的更新覆盖了由其他事务所做的更新。例如,两个编辑人员制作了同一文档的电子副本。每个编辑人员独立地更改其副本,然后保存更改后的副本,这样就覆盖了原始文档。最后保存其更改副本的编辑人员覆盖另一个编辑人员所做的更改。如果在一个编辑人员完成并提交事务之前,另一个编辑人员不能访问同一文件,则可避免此问题。
     脏读(Dirty Reads):一个事务正在对一条记录做修改,在这个事务完成并提交前,这条记录的数据就处于不一致状态;这时,另一个事务也来读取同一条记录,如果不加控制,第二个事务读取了这些“脏”数据,并据此做进一步的处理,就会产生未提交的数据依赖关系。这种现象被形象地叫做"脏读"。
     不可重复读(Non-Repeatabe Reads):一个事务在读取某些数据后的某个时间,再次读取以前读过的数据,却发现其读出的数据已经发生了改变、或某些记录已经被删除了!这种现象就叫做“不可重复读”。
     幻读(Phantom Reads):一个事务按相同的查询条件重新读取以前检索过的数据,却发现其他事务插入了满足其查询条件的新数据,这种现象就称为“幻读”。
3.事务隔离级别
在上面讲到的并发事务处理带来的问题中,“更新丢失”通常是应该完全避免的。但防止更新丢失,并不能单靠数据库事务控制器来解决,需要应用程序对要更新的数据加必要的锁来解决,因此,防止更新丢失应该是应用的责任。
“脏读”、“不可重复读”和“幻读”,其实都是数据库读一致性问题,必须由数据库提供一定的事务隔离机制来解决。数据库实现事务隔离的方式,基本上可分为以下两种。
  一种是在读取数据前,对其加锁,阻止其他事务对数据进行修改。
  另一种是不用加任何锁,通过一定机制生成一个数据请求时间点的一致性数据快照(Snapshot),并用这个快照来提供一定级别(语句级或事务级)的一致性读取。从用户的角度来看,好象是数据库可以提供同一数据的多个版本,因此,这种技术叫做数据多版本并发控制(MutiVersion Concurrency Contro,简称MVCC或MCC),也经常称为多版本数据库。
数据库的事务隔离越严格,并发副作用越小,但付出的代价也就越大,因为事务隔离实质上就是使事务在一定程度上 “串行化”进行,这显然与“并发”是矛盾的。同时,不同的应用对读一致性和事务隔离程度的要求也是不同的,比如许多应用对“不可重复读”和“幻读”并不敏感,可能更关心数据并发访问的能力。
为了解决“隔离”与“并发”的矛盾,ISO/ANSI SQ92定义了4个事务隔离级别,每个级别的隔离程度不同,允许出现的副作用也不同,应用可以根据自己的业务逻辑要求,通过选择不同的隔离级别来平衡 “隔离”与“并发”的矛盾。表20-5很好地概括了这4个隔离级别的特性。

 最后要说明的是:各具体数据库并不一定完全实现了上述4个隔离级别,例如,Oracle只提供Read committed和Serializable两个标准隔离级别,另外还提供自己定义的Read only隔离级别;SQL Server除支持上述ISO/ANSI SQL92定义的4个隔离级别外,还支持一个叫做“快照”的隔离级别,但严格来说它是一个用MVCC实现的Serializable隔离级别。MySQL 支持全部4个隔离级别,但在具体实现时,有一些特点,比如在一些隔离级别下是采用MVCC一致性读,但某些情况下又不是,这些内容在后面的章节中将会做进 一步介绍。

 

获取InnoDB行锁争用情况    

可以通过检查InnoDB_row_lock状态变量来分析系统上的行锁的争夺情况:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> show status like 'innodb_row_lock%';  
  2. +-------------------------------+-------+  
  3. | Variable_name                 | Value |  
  4. +-------------------------------+-------+  
  5. | InnoDB_row_lock_current_waits | 0     |  
  6. | InnoDB_row_lock_time          | 0     |  
  7. | InnoDB_row_lock_time_avg      | 0     |  
  8. | InnoDB_row_lock_time_max      | 0     |  
  9. | InnoDB_row_lock_waits         | 0     |  
  10. +-------------------------------+-------+  
  11. 5 rows in set (0.01 sec)  
如果发现锁争用比较严重,如InnoDB_row_lock_waits和InnoDB_row_lock_time_avg的值比较高,还可以通过设置InnoDB Monitors来进一步观察发生锁冲突的表、数据行等,并分析锁争用的原因。具体方法如下:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> CREATE TABLE innodb_monitor(a INT) ENGINE=INNODB;  
  2. Query OK, 0 rows affected (0.14 sec)   
 然后就可以用下面的语句来进行查看:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> Show innodb status\G;  
  2. *************************** 1. row ***************************  
  3.   Type: InnoDB  
  4.   Name:  
  5. Status:  
 监视器可以通过发出下列语句来停止查看:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> DROP TABLE innodb_monitor;  
  2. Query OK, 0 rows affected (0.05 sec)  
 设置监视器后,在SHOW INNODB STATUS的显示内容中,会有详细的当前锁等待的信息,包括表名、锁类型、锁定记录的情况等,便于进行进一步的分析和问题的确定。打开监视器以后,默认情况下每15秒会向日志中记录监控的内容,如果长时间打开会导致.err文件变得非常的巨大,所以用户在确认问题原因之后,要记得删除监控表以关闭监视器,或者通过使用“--console”选项来启动服务器以关闭写日志文件。
InnoDB的行锁模式及加锁方法
InnoDB实现了以下两种类型的行锁。
  共享锁(S):允许一个事务去读一行,阻止其他事务获得相同数据集的排他锁。
  排他锁(X):允许获得排他锁的事务更新数据,阻止其他事务取得相同数据集的共享读锁和排他写锁。
另外,为了允许行锁和表锁共存,实现多粒度锁机制,InnoDB还有两种内部使用的意向锁(Intention Locks),这两种意向锁都是表锁。
  意向共享锁(IS):事务打算给数据行加行共享锁,事务在给一个数据行加共享锁前必须先取得该表的IS锁。
  意向排他锁(IX):事务打算给数据行加行排他锁,事务在给一个数据行加排他锁前必须先取得该表的IX锁。
上述锁模式的兼容情况具体如表20-6所示。

 如果一个事务请求的锁模式与当前的锁兼容,InnoDB就将请求的锁授予该事务;反之,如果两者不兼容,该事务就要等待锁释放。
意向锁是InnoDB自动加的,不需用户干预。对于UPDATE、DELETE和INSERT语句,InnoDB会自动给涉及数据集加排他锁(X);对于普通SELECT语句,InnoDB不会加任何锁;事务可以通过以下语句显示给记录集加共享锁或排他锁。
  共享锁(S):SELECT * FROM table_name WHERE ... LOCK IN SHARE MODE。
  排他锁(X):SELECT * FROM table_name WHERE ... FOR UPDATE。
用SELECT ... IN SHARE MODE获得共享锁,主要用在需要数据依存关系时来确认某行记录是否存在,并确保没有人对这个记录进行UPDATE或者DELETE操作。但是如果当前事务也需要对该记录进行更新操作,则很有可能造成死锁,对于锁定行记录后需要进行更新操作的应用,应该使用SELECT... FOR UPDATE方式获得排他锁。
在如表20-7所示的例子中,使用了SELECT ... IN SHARE MODE加锁后再更新记录,看看会出现什么情况,其中actor表的actor_id字段为主键。



当使用SELECT...FOR UPDATE加锁后再更新记录,出现如表20-8所示的情况。


InnoDB行锁实现方式
InnoDB行锁是通过给索引上的索引项加锁来实现的,这一点MySQL与Oracle不同,后者是通过在数据块中对相应数据行加锁来实现的。InnoDB这种行锁实现特点意味着:只有通过索引条件检索数据,InnoDB才使用行级锁,否则,InnoDB将使用表锁!
在实际应用中,要特别注意InnoDB行锁的这一特性,不然的话,可能导致大量的锁冲突,从而影响并发性能。下面通过一些实际例子来加以说明。
(1)在不通过索引条件查询的时候,InnoDB确实使用的是表锁,而不是行锁。在如表20-9所示的例子中,开始tab_no_index表没有索引:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> create table tab_no_index(id int,name varchar(10)) engine=innodb;  
  2. Query OK, 0 rows affected (0.15 sec)  
  3. mysql> insert into tab_no_index values(1,'1'),(2,'2'),(3,'3'),(4,'4');  
  4. Query OK, 4 rows affected (0.00 sec)  
  5. Records: 4  Duplicates: 0  Warnings: 0  
 表20-9               InnoDB存储引擎的表在不使用索引时使用表锁例子
在如表20 -9所示的例子中,看起来session_1只给一行加了排他锁,但session_2在请求其他行的排他锁时,却出现了锁等待!原因就是在没有索引的情况下,InnoDB只能使用表锁。当我们给其增加一个索引后,InnoDB就只锁定了符合条件的行,如表20-10所示。
创建tab_with_index表,id字段有普通索引:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> create table tab_with_index(id int,name varchar(10)) engine=innodb;  
  2. Query OK, 0 rows affected (0.15 sec)  
  3. mysql> alter table tab_with_index add index id(id);  
  4. Query OK, 4 rows affected (0.24 sec)  
  5. Records: 4  Duplicates: 0  Warnings: 0  
 

(2)由于MySQL的行锁是针对索引加的锁,不是针对记录加的锁,所以虽然是访问不同行的记录,但是如果是使用相同的索引键,是会出现锁冲突的。应用设 计的时候要注意这一点。在如表20-11所示的例子中,表tab_with_index的id字段有索引,name字段没有索引
Java代码  收藏代码
  1. mysql> alter table tab_with_index drop index name;  
  2. Query OK, 4 rows affected (0.22 sec)  
  3. Records: 4  Duplicates: 0  Warnings: 0  
  4. mysql> insert into tab_with_index  values(1,'4');  
  5. Query OK, 1 row affected (0.00 sec)  
  6. mysql> select * from tab_with_index where id = 1;  
  7. +------+------+  
  8. | id   | name |  
  9. +------+------+  
  10. 1    | 1    |  
  11. 1    | 4    |  
  12. +------+------+  
  13. 2 rows in set (0.00 sec)  

 (3)当表有多个索引的时候,不同的事务可以使用不同的索引锁定不同的行,另外,不论是使用主键索引、唯一索引或普通索引,InnoDB都会使用行锁来对数据加锁。
在如表20-12所示的例子中,表tab_with_index的id字段有主键索引,name字段有普通索引:
Java代码  收藏代码
  1. mysql> alter table tab_with_index add index name(name);  
  2. Query OK, 5 rows affected (0.23 sec)  
  3. Records: 5  Duplicates: 0  Warnings: 0  
 表20-12                                  InnoDB存储引擎的表使用不同索引的阻塞例子


 (4)即便在条件中使用了索引字段,但是否使用索引来检索数据是由MySQL通过判断不同执行计划的代价来决定的,如果MySQL认为全表扫描效率更高,比如对一些很小的表,它就不会使用索引,这种情况下InnoDB将使用表锁,而不是行锁。因此,在分析锁冲突时,别忘了检查SQL的执行计划,以确认是否真正使用了索引。关于MySQL在什么情况下不使用索引的详细讨论,参见本章“索引问题”一节的介绍。
在下面的例子中,检索值的数据类型与索引字段不同,虽然MySQL能够进行数据类型转换,但却不会使用索引,从而导致InnoDB使用表锁。通过用explain检查两条SQL的执行计划,我们可以清楚地看到了这一点。
例子中tab_with_index表的name字段有索引,但是name字段是varchar类型的,如果where条件中不是和varchar类型进行比较,则会对name进行类型转换,而执行的全表扫描。
Java代码  收藏代码
  1. mysql> alter table tab_no_index add index name(name);  
  2. Query OK, 4 rows affected (8.06 sec)  
  3. Records: 4  Duplicates: 0  Warnings: 0  
  4. mysql> explain select * from tab_with_index where name = 1 \G  
  5. *************************** 1. row ***************************  
  6.            id: 1  
  7.   select_type: SIMPLE  
  8.         table: tab_with_index  
  9.          type: ALL  
  10. possible_keys: name  
  11.           key: NULL  
  12.       key_len: NULL  
  13.           ref: NULL  
  14.          rows: 4  
  15.         Extra: Using where  
  16. 1 row in set (0.00 sec)  
  17. mysql> explain select * from tab_with_index where name = '1' \G  
  18. *************************** 1. row ***************************  
  19.            id: 1  
  20.   select_type: SIMPLE  
  21.         table: tab_with_index  
  22.          type: ref  
  23. possible_keys: name  
  24.           key: name  
  25.       key_len: 23  
  26.           ref: const  
  27.          rows: 1  
  28.         Extra: Using where  
  29. 1 row in set (0.00 sec)  
 间隙锁(Next-Key锁)
当我们用范围条件而不是相等条件检索数据,并请求共享或排他锁时,InnoDB会给符合条件的已有数据记录的 索引项加锁;对于键值在条件范围内但并不存在的记录,叫做“间隙(GAP)”,InnoDB也会对这个“间隙”加锁,这种锁机制就是所谓的间隙锁 (Next-Key锁)。
举例来说,假如emp表中只有101条记录,其empid的值分别是 1,2,...,100,101,下面的SQL:
Select * from  emp where empid > 100 for update;
是一个范围条件的检索,InnoDB不仅会对符合条件的empid值为101的记录加锁,也会对empid大于101(这些记录并不存在)的“间隙”加锁。
InnoDB使用间隙锁的目的,一方面是为了防止幻读,以满足相关隔离级别的要求,对于上面的例子,要是不使 用间隙锁,如果其他事务插入了empid大于100的任何记录,那么本事务如果再次执行上述语句,就会发生幻读;另外一方面,是为了满足其恢复和复制的需 要。有关其恢复和复制对锁机制的影响,以及不同隔离级别下InnoDB使用间隙锁的情况,在后续的章节中会做进一步介绍。
很显然,在使用范围条件检索并锁定记录时,InnoDB这种加锁机制会阻塞符合条件范围内键值的并发插入,这往往会造成严重的锁等待。因此,在实际应用开发中,尤其是并发插入比较多的应用,我们要尽量优化业务逻辑,尽量使用相等条件来访问更新数据,避免使用范围条件。
还要特别说明的是,InnoDB除了通过范围条件加锁时使用间隙锁外,如果使用相等条件请求给一个不存在的记录加锁,InnoDB也会使用间隙锁!
在如表20-13所示的例子中,假如emp表中只有101条记录,其empid的值分别是1,2,......,100,101。

恢复和复制的需要,对InnoDB锁机制的影响
MySQL通过BINLOG录执行成功的INSERT、UPDATE、DELETE等更新数据的SQL语句, 并由此实现MySQL数据库的恢复和主从复制(可以参见本书“管理篇”的介绍)。MySQL的恢复机制(复制其实就是在Slave Mysql不断做基于BINLOG的恢复)有以下特点。
l  一是MySQL的恢复是SQL语句级的,也就是重新执行BINLOG中的SQL语句。这与Oracle数据库不同,Oracle是基于数据库文件块的。
l  二是MySQL的Binlog是按照事务提交的先后顺序记录的,恢复也是按这个顺序进行的。这点也与Oralce不同,Oracle是按照系统更新号 (System Change Number,SCN)来恢复数据的,每个事务开始时,Oracle都会分配一个全局唯一的SCN,SCN的顺序与事务开始的时间顺序是一致的。
从上面两点可知,MySQL的恢复 机制要求:在一个事务未提交前,其他并发事务不能插入满足其锁定条件的任何记录,也就是不允许出现幻读,这已经超过了ISO/ANSI SQL92“可重复读”隔离级别的要求,实际上是要求事务要串行化。这也是许多情况下,InnoDB要用到间隙锁的原因,比如在用范围条件更新记录时,无 论在Read Commited或是Repeatable Read隔离级别下,InnoDB都要使用间隙锁,但这并不是隔离级别要求的,有关InnoDB在不同隔离级别下加锁的差异在下一小节还会介绍。
另外,对于“insert  into target_tab select * from source_tab where ...”和“create  table new_tab ...select ... From  source_tab where ...(CTAS)”这种SQL语句,用户并没有对source_tab做任何更新操作,但MySQL对这种SQL语句做了特别处理。先来看如表20-14的例子。


 在上面的例子中,只是简单地读 source_tab表的数据,相当于执行一个普通的SELECT语句,用一致性读就可以了。ORACLE正是这么做的,它通过MVCC技术实现的多版本 数据来实现一致性读,不需要给source_tab加任何锁。我们知道InnoDB也实现了多版本数据,对普通的SELECT一致性读,也不需要加任何 锁;但这里InnoDB却给source_tab加了共享锁,并没有使用多版本数据一致性读技术!

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