MySQL 的死锁系列 - 锁的类型以及加锁原理

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发布于: 2020 年 05 月 02 日
疫情期间在家工作时，同事使用了 insert into on duplicate key update 语句进行插入去重，但是在测试过程中发现了死锁现象:
ERROR 1213 (40001): Deadlock found when trying to get lock; try restarting transaction
由于开发任务紧急，只是暂时规避了一下，但是对触发死锁的原因和相关原理不甚了解，于是这几天一直在查阅相关资料，总结出一个系列文章供大家参考。本篇是上篇，主要介绍 MySQL 加锁原理和锁的不同模式或类型的基本知识。后续会讲解常见语句的加锁情况和通过 MySQL 死锁日志分析死锁原因。
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由于本篇文章涉及很多 MySQL 的基础知识，大家可以自行阅读我之前的 MySQL系列文章 《MySQL探秘》中的对应章节。
表锁和行锁﻿
我们首先来了解一下表锁和行锁：表锁是指对一整张表加锁，一般是 DDL 处理时使用；而行锁则是锁定某一行或者某几行，或者行与行之间的间隙。
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表锁由 MySQL Server 实现，行锁则是存储引擎实现，不同的引擎实现的不同。在 MySQL 的常用引擎中 InnoDB 支持行锁，而 MyISAM 则只能使用 MySQL Server 提供的表锁。
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表锁﻿
表锁由 MySQL Server 实现，一般在执行 DDL 语句时会对整个表进行加锁，比如说 ALTER TABLE 等操作。在执行 SQL 语句时，也可以明确指定对某个表进行加锁。
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mysql> lock table user read(write); # 分为读锁和写锁
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
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mysql> select  from user where id = 100; # 成功
mysql> select  from role where id = 100; # 失败，未提前获取该 role的读表锁
mysql> update user  set name = 'Tom' where id = 100; # 失败，未提前获得user的写表锁
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mysql> unlock tables; # 显示释放表锁
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
表锁使用的是一次性锁技术，也就是说，在会话开始的地方使用 lock 命令将后续需要用到的表都加上锁，在表释放前，只能访问这些加锁的表，不能访问其他表，直到最后通过 unlock tables 释放所有表锁。
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除了使用 unlock tables 显示释放锁之外，会话持有其他表锁时执行lock table 语句会释放会话之前持有的锁；会话持有其他表锁时执行 start transaction 或者 begin 开启事务时，也会释放之前持有的锁。
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行锁不同存储引擎的行锁实现不同，后续没有特别说明，则行锁特指 InnoDB 实现的行锁。
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在了解 InnoDB 的加锁原理前，需要对其存储结构有一定的了解。InnoDB 是聚簇索引，也就是 B+树的叶节点既存储了主键索引也存储了数据行。而 InnoDB 的二级索引的叶节点存储的则是主键值，所以通过二级索引查询数据时，还需要拿对应的主键去聚簇索引中再次进行查询。关于 InnoDB 和 MyISAM 的索引的详细知识可以阅读《Mysql探索(一):B+Tree索引》一文。
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下面以两条 SQL 的执行为例，讲解一下 InnoDB 对于单行数据的加锁原理。
update user set age = 10 where id = 49;
update user set age = 10 where name = 'Tom';
第一条 SQL 使用主键索引来查询，则只需要在 id = 49 这个主键索引上加上写锁；第二条 SQL 则使用二级索引来查询，则首先在 name = Tom 这个索引上加写锁，然后由于使用 InnoDB 二级索引还需再次根据主键索引查询，所以还需要在 id = 49 这个主键索引上加写锁，如上图所示。
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也就是说使用主键索引需要加一把锁，使用二级索引需要在二级索引和主键索引上各加一把锁。
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根据索引对单行数据进行更新的加锁原理了解了，那如果更新操作涉及多个行呢，比如下面 SQL 的执行场景。
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update user set age = 10 where id > 49;
上述 SQL 的执行过程如下图所示。MySQL Server 会根据 WHERE 条件读取第一条满足条件的记录，然后 InnoDB 引擎会将第一条记录返回并加锁，接着 MySQL Server 发起更新改行记录的 UPDATE 请求，更新这条记录。一条记录操作完成，再读取下一条记录，直至没有匹配的记录为止。
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这种场景下的锁的释放较为复杂，有多种的优化方式，我对这块暂时还没有了解，还请知道的小伙伴在下方留言解释。
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下面主要依次介绍 InnoDB 中锁的模式和类型，锁的类型是指锁的粒度或者锁具体加在什么地方；而锁模式描述的是锁的兼容性，也就是加的是什么锁，比如写锁或者读锁。
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内容基本来自于 MySQL 的技术文档 innodb-lock 一章，感兴趣的同学可以直接去阅读原文，原文地址为见文章末尾。
行锁的模式﻿
锁的模式有：读意向锁，写意向锁，读锁，写锁和自增锁(auto_inc)，下面我们依次来看。
读写锁﻿
读锁，又称共享锁（Share locks，简称 S 锁），加了读锁的记录，所有的事务都可以读取，但是不能修改，并且可同时有多个事务对记录加读锁。
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写锁，又称排他锁（Exclusive locks，简称 X 锁），或独占锁，对记录加了排他锁之后，只有拥有该锁的事务可以读取和修改，其他事务都不可以读取和修改，并且同一时间只能有一个事务加写锁。
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读写意向锁由于表锁和行锁虽然锁定范围不同，但是会相互冲突。所以当你要加表锁时，势必要先遍历该表的所有记录，判断是否加有排他锁。这种遍历检查的方式显然是一种低效的方式，MySQL 引入了意向锁，来检测表锁和行锁的冲突。
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意向锁也是表级锁，也可分为读意向锁（IS 锁）和写意向锁（IX 锁）。当事务要在记录上加上读锁或写锁时，要首先在表上加上意向锁。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。
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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。
自增锁﻿
AUTOINC 锁又叫自增锁（一般简写成 AI 锁），是一种表锁，当表中有自增列（AUTOINCREMENT）时出现。当插入表中有自增列时，数据库需要自动生成自增值，它会先为该表加 AUTOINC 表锁，阻塞其他事务的插入操作，这样保证生成的自增值肯定是唯一的。AUTOINC 锁具有如下特点：
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AUTO_INC 锁互不兼容，也就是说同一张表同时只允许有一个自增锁；
自增值一旦分配了就会 +1，如果事务回滚，自增值也不会减回去，所以自增值可能会出现中断的情况。
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显然，AUTOINC 表锁会导致并发插入的效率降低，为了提高插入的并发性，MySQL 从 5.1.22 版本开始，引入了一种可选的轻量级锁（mutex）机制来代替 AUTOINC 锁，可以通过参数 innodbautoinclockmode 来灵活控制分配自增值时的并发策略。具体可以参考 MySQL 的 AUTOINCREMENT Handling in InnoDB 一文，链接在文末。
不同模式锁的兼容矩阵﻿
下面是各个表锁之间的兼容矩阵。
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总结起来有下面几点：
意向锁之间互不冲突；
S 锁只和 S/IS 锁兼容，和其他锁都冲突；
X 锁和其他所有锁都冲突；
AI 锁只和意向锁兼容；
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行锁的类型﻿
根据锁的粒度可以把锁细分为表锁和行锁，行锁根据场景的不同又可以进一步细分，依次为 Next-Key Lock，Gap Lock 间隙锁，Record Lock 记录锁和插入意向 GAP 锁。
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不同的锁锁定的位置是不同的，比如说记录锁只锁住对应的记录，而间隙锁锁住记录和记录之间的间隔，Next-Key Lock 则所属记录和记录之前的间隙。不同类型锁的锁定范围大致如下图所示。
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下面我们来依次了解一下不同的类型的锁。
记录锁记录锁是最简单的行锁，并没有什么好说的。上边描述 InnoDB 加锁原理中的锁就是记录锁，只锁住 id = 49 或者 name = 'Tom' 这一条记录。
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当 SQL 语句无法使用索引时，会进行全表扫描，这个时候 MySQL 会给整张表的所有数据行加记录锁，再由 MySQL Server 层进行过滤。但是，在 MySQL Server 层进行过滤的时候，如果发现不满足 WHERE 条件，会释放对应记录的锁。这样做，保证了最后只会持有满足条件记录上的锁，但是每条记录的加锁操作还是不能省略的。
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所以更新操作必须要根据索引进行操作，没有索引时，不仅会消耗大量的锁资源，增加数据库的开销，还会极大的降低了数据库的并发性能。
间隙锁﻿
还是最开始更新用户年龄的例子，如果 id = 49 这条记录不存在，这个 SQL 语句还会加锁吗？答案是可能有，这取决于数据库的隔离级别。这种情况下，在 RC 隔离级别不会加任何锁，在 RR 隔离级别会在 id = 49 前后两个索引之间加上间隙锁。
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间隙锁是一种加在两个索引之间的锁，或者加在第一个索引之前，或最后一个索引之后的间隙。这个间隙可以跨一个索引记录，多个索引记录，甚至是空的。使用间隙锁可以防止其他事务在这个范围内插入或修改记录，保证两次读取这个范围内的记录不会变，从而不会出现幻读现象。
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值得注意的是，间隙锁和间隙锁之间是互不冲突的，间隙锁唯一的作用就是为了防止其他事务的插入，所以加间隙 S 锁和加间隙 X 锁没有任何区别。
Next-Key 锁﻿
Next-key锁是记录锁和间隙锁的组合，它指的是加在某条记录以及这条记录前面间隙上的锁。假设一个索引包含
15、18、20 ，30，49，50 这几个值，可能的 Next-key 锁如下：
(-∞, 15]，(15, 18]，(18, 20]，(20, 30]，(30, 49]，(49, 50]，(50, +∞)
通常我们都用这种左开右闭区间来表示 Next-key 锁，其中，圆括号表示不包含该记录，方括号表示包含该记录。前面四个都是 Next-key 锁，最后一个为间隙锁。
和间隙锁一样，在 RC 隔离级别下没有 Next-key 锁，只有 RR 隔离级别才有。还是之前的例子，如果 id 不是主键，而是二级索引，且不是唯一索引，那么这个 SQL 在 RR 隔离级别下就会加如下的 Next-key 锁 (30, 49](49, 50)
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此时如果插入一条 id = 31 的记录将会阻塞住。之所以要把 id = 49 前后的间隙都锁住，仍然是为了解决幻读问题，因为 id 是非唯一索引，所以 id = 49 可能会有多条记录，为了防止再插入一条 id = 49 的记录。
插入意向锁﻿
插入意向锁是一种特殊的间隙锁（简写成 II GAP）表示插入的意向，只有在 INSERT 的时候才会有这个锁。注意，这个锁虽然也叫意向锁，但是和上面介绍的表级意向锁是两个完全不同的概念，不要搞混了。
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插入意向锁和插入意向锁之间互不冲突，所以可以在同一个间隙中有多个事务同时插入不同索引的记录。譬如在上面的例子中，id = 30 和 id = 49 之间如果有两个事务要同时分别插入 id = 32 和 id = 33 是没问题的，虽然两个事务都会在 id = 30 和 id = 50 之间加上插入意向锁，但是不会冲突。
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插入意向锁只会和间隙锁或 Next-key 锁冲突，正如上面所说，间隙锁唯一的作用就是防止其他事务插入记录造成幻读，正是由于在执行 INSERT 语句时需要加插入意向锁，而插入意向锁和间隙锁冲突，从而阻止了插入操作的执行。
不同类型锁的兼容矩阵﻿
不同类型锁的兼容下如下图所示。
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其中，第一行表示已有的锁，第一列表示要加的锁。插入意向锁较为特殊，所以我们先对插入意向锁做个总结，如下：
插入意向锁不影响其他事务加其他任何锁。也就是说，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；
插入意向锁与间隙锁和 Next-key 锁冲突。也就是说，一个事务想要获取插入意向锁，如果有其他事务已经加了间隙锁或 Next-key 锁，则会阻塞。
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其他类型的锁的规则较为简单：
间隙锁不和其他锁（不包括插入意向锁）冲突；
记录锁和记录锁冲突，Next-key 锁和 Next-key 锁冲突，记录锁和 Next-key 锁冲突；
后记下一篇文章我们来看一下具体 SQL 的加锁分析和死锁日志分析，请小伙伴多多留意和关注，有问题的可以文章下方留言。
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参考https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking.html#innodb-record-locks
https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking.html#innodb-record-locks
https://www.aneasystone.com/archives/2017/11/solving-dead-locks-two.html
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