MySQL實戰45講 20

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20 | 幻讀是什麼,幻讀有什麼問題? 建表和初始化語句如下 CREATE TABLE `t` ( `id` int(11) NOT NULL, `c` int(11) DEFAULT NULL, `d` int(11) DEFAULT NULL, PRIMARY KEY (`id`), KEY ` ...


20 | 幻讀是什麼,幻讀有什麼問題?

建表和初始化語句如下

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);

這個表除了主鍵 id 外,還有一個索引 c,初始化語句在表中插入了 6 行數據。

Q:下麵的語句序列,是怎麼加鎖的,加的鎖又是什麼時候釋放的呢?

begin;
select * from t where d=5 for update;
commit;

A:

這個語句會命中 d=5 的這一行,對應的主鍵 id=5,因此在 select 語句執行完成後,id=5 這一行會加一個寫鎖而且由於兩階段鎖協議,這個寫鎖會在執行 commit 語句的時候釋放

Q:由於欄位 d 上沒有索引,因此這條查詢語句會做全表掃描。那麼,其他被掃描到的,但是不滿足條件的 5 行記錄上,會不會被加鎖呢?

A:會

InnoDB 的預設事務隔離級別是可重覆讀,所以接下來都是設定在可重覆讀隔離級別下。

幻讀是什麼?

如果只在 id=5 這一行加鎖,而其他行的不加鎖的話,會怎麼樣。

假設只在 id=5 這一行加行鎖的場景如下圖:

session A 里執行了三次查詢,分別是 Q1、Q2 和 Q3。它們的 SQL 語句相同,都是 select * from t where d=5 for update。這個語句的意思你應該很清楚了,查所有 d=5 的行,而且使用的是當前讀,並且加上寫鎖。現在,我們來看一下這三條 SQL 語句,分別會返回什麼結果。

  1. Q1 只返回 id=5 這一行;
  2. 在 T2 時刻,session B 把 id=0 這一行的 d 值改成了 5,因此 T3 時刻 Q2 查出來的是 id=0 和 id=5 這兩行;
  3. 在 T4 時刻,session C 又插入一行(1,1,5),因此 T5 時刻 Q3 查出來的是 id=0、id=1 和 id=5 的這三行。

其中,Q3 讀到 id=1 這一行的現象,被稱為“幻讀”。

幻讀指的是一個事務在前後兩次查詢同一個範圍的時候,後一次查詢看到了前一次查詢沒有看到的行。

對“幻讀”做一個說明:

  1. 在可重覆讀隔離級別下,普通的查詢是快照讀,是不會看到別的事務插入的數據的。因此,幻讀在“當前讀”下才會出現
  2. 上面 session B 的修改結果,被 session A 之後的 select 語句用“當前讀”看到,不能稱為幻讀幻讀僅專指“新插入的行”

因為這三個查詢都是加了 for update,都是當前讀。而當前讀的規則,就是要能讀到所有已經提交的記錄的最新值。並且,session B 和 sessionC 的兩條語句,執行後就會提交,所以 Q2 和 Q3 就是應該看到這兩個事務的操作效果,而且也看到了,這跟事務的可見性規則並不矛盾。

幻讀有什麼問題?

語義上

首先是語義上的。session A 在 T1 時刻就聲明瞭,“我要把所有 d=5 的行鎖住,不准別的事務進行讀寫操作”。而實際上,這個語義被破壞了。

為了體現語義被破壞,再往 session B 和 session C 裡面分別加一條 SQL 語句

session B 的第二條語句 update t set c=5 where id=0,語義是“我把 id=0、d=5 這一行的 c 值,改成了 5”。

由於在 T1 時刻,session A 還只是給 id=5 這一行加了行鎖, 並沒有給 id=0 這行加上鎖。因此,session B 在 T2 時刻,是可以執行這兩條 update 語句的。這樣,就破壞了 session A 里 Q1 語句要鎖住所有 d=5 的行的加鎖聲明。

session C 也是一樣的道理,對 id=1 這一行的修改,也是破壞了 Q1 的加鎖聲明。

數據和日誌邏輯一致性

其次,是數據一致性的問題。

鎖的設計是為了保證數據的一致性。而這個一致性,不止是資料庫內部數據狀態在此刻的一致性,還包含了數據和日誌在邏輯上的一致性

給 session A 在 T1 時刻再加一個更新語句,即:update t set d=100 where d=5。

update 的加鎖語義和 select …for update 是一致的,所以這時候加上這條 update 語句也很合理。session A 聲明說“要給 d=5 的語句加上鎖”,就是為了要更新數據,新加的這條 update 語句就是把它認為加上了鎖的這一行的 d 值修改成了 100

分析一下執行完成後,資料庫里會是什麼結果。

  1. 經過 T1 時刻,id=5 這一行變成 (5,5,100),當然這個結果最終是在 T6 時刻正式提交的 ;
  2. 經過 T2 時刻,id=0 這一行變成 (0,5,5);
  3. 經過 T4 時刻,表裡面多了一行 (1,5,5);
  4. 其他行跟這個執行序列無關,保持不變。

數據也沒問題,來看看這時候 binlog 裡面的內容。

  1. T2 時刻,session B 事務提交,寫入了兩條語句;
  2. T4 時刻,session C 事務提交,寫入了兩條語句;
  3. T6 時刻,session A 事務提交,寫入了 update t set d=100 where d=5 這條語句

放到一起的話,就是這樣的:

update t set d=5 where id=0; /*(0,0,5)*/
update t set c=5 where id=0; /*(0,5,5)*/
 
insert into t values(1,1,5); /*(1,1,5)*/
update t set c=5 where id=1; /*(1,5,5)*/
 
update t set d=100 where d=5;/* 所有 d=5 的行,d 改成 100*/

這個語句序列,不論是拿到備庫去執行,還是以後用 binlog 來克隆一個庫,這三行的結果,都變成了 (0,5,100)、(1,5,100) 和 (5,5,100)。

也就是說,id=0 和 id=1 這兩行,發生了數據不一致。

這是我們假設“select * from t where d=5 for update 這條語句只給 d=5 這一行,也就是 id=5 的這一行加鎖”導致的。

把掃描過程中碰到的行,也都加上寫鎖,再來看看執行效果。

由於 session A 把所有的行都加了寫鎖,所以 session B 在執行第一個 update 語句的時候就被鎖住了。需要等到 T6 時刻 session A 提交以後,session B 才能繼續執行。

這樣對於 id=0 這一行,在資料庫里的最終結果還是 (0,5,5)。在 binlog 裡面,執行序列是這樣的:

insert into t values(1,1,5); /*(1,1,5)*/
update t set c=5 where id=1; /*(1,5,5)*/
 
update t set d=100 where d=5;/* 所有 d=5 的行,d 改成 100*/
 
update t set d=5 where id=0; /*(0,0,5)*/
update t set c=5 where id=0; /*(0,5,5)*/

可以看到,按照日誌順序執行,id=0 這一行的最終結果也是 (0,5,5)。所以,id=0 這一行的問題解決了。

但同時你也可以看到,id=1 這一行,在資料庫裡面的結果是 (1,5,5),而根據 binlog 的執行結果是 (1,5,100),也就是說幻讀的問題還是沒有解決。這是由於在 T3 時刻,我們給所有行加鎖的時候,id=1 這一行還不存在,不存在也就加不上鎖

也就是說,即使把所有的記錄都加上鎖,還是阻止不了新插入的記錄

如何解決幻讀?

間隙鎖

產生幻讀的原因是,行鎖只能鎖住行,但是新插入記錄這個動作,要更新的是記錄之間的“間隙”。因此,為瞭解決幻讀問題,InnoDB 只好引入新的鎖,也就是間隙鎖 (Gap Lock)。

間隙鎖,鎖的就是兩個值之間的空隙。比如開頭的表 t,初始化插入了 6 個記錄,這就產生了 7 個間隙

下圖是表 t 主鍵索引上的行鎖和間隙鎖

image-20220729152054925

這樣,當你執行 select * from t where d=5 for update 的時候,就不止是給資料庫中已有的 6 個記錄加上了行鎖,還同時加了 7 個間隙鎖。這樣就確保了無法再插入新的記錄。

也就是說這時候,在一行行掃描的過程中,不僅將給行加上了行鎖,還給行兩邊的空隙,也加上了間隙鎖。

行鎖,分成讀鎖和寫鎖。下圖是這兩種類型行鎖的衝突關係。

也就是說,跟行鎖有衝突關係的是“另外一個行鎖”。

但是間隙鎖不一樣,跟間隙鎖存在衝突關係的,是“往這個間隙中插入一個記錄”這個操作。間隙鎖之間不存在衝突關係。

舉個例子:

這裡 session B 並不會被堵住。因為表 t 里並沒有 c=7 這個記錄,因此 session A 加的是間隙鎖 (5,10)。而 session B 也是在這個間隙加的間隙鎖。它們有共同的目標,即:保護這個間隙,不允許插入值。但,它們之間是不衝突的。

next-key lock

間隙鎖和行鎖合稱 next-key lock,每個 next-key lock 是前開後閉區間。也就是說,表 t 初始化以後,如果用 select * from t for update 要把整個表所有記錄鎖起來,就形成了 7 個 next-key lock,分別是 (-∞,0]、(0,5]、(5,10]、(10,15]、(15,20]、(20, 25]、(25, +supremum]。

如果沒有特別說明,我們把間隙鎖記為開區間,把 next-key lock 記為前開後閉區間

Q: supremum 從哪兒來的呢?

A:這是因為 +∞是開區間。實現上,InnoDB 給每個索引加了一個不存在的最大值 supremum,這樣才符合前面說的“都是前開後閉區間”。

一些“困擾”

間隙鎖和 next-key lock 的引入,幫我們解決了幻讀的問題,但同時也帶來了一些“困擾”。

需求:任意鎖住一行,如果這一行不存在的話就插入,如果存在這一行就更新它的數據,代碼如下:

begin;
select * from t where id=N for update;
 
/* 如果行不存在 */
insert into t values(N,N,N);
/* 如果行存在 */
update t set d=N set id=N;
 
commit;

Q:不是 insert … on duplicate key update 就能解決嗎?

A:但在有多個唯一鍵的時候,這個方法是不能滿足需求(待填)

碰到的現象是,這個邏輯一旦有併發,就會碰到死鎖。

Q:這個邏輯每次操作前用 for update 鎖起來,已經是最嚴格的模式了,怎麼還會有死鎖呢?

A: 間隙鎖導致的死鎖

用兩個 session 來模擬併發,並假設 N=9

按語句執行順序來分析一下:

  1. session A 執行 select … for update 語句,由於 id=9 這一行並不存在,因此會加上間隙鎖 (5,10);
  2. session B 執行 select … for update 語句,同樣會加上間隙鎖 (5,10),間隙鎖之間不會衝突,因此這個語句可以執行成功;
  3. session B 試圖插入一行 (9,9,9),被 session A 的間隙鎖擋住了,只好進入等待
  4. session A 試圖插入一行 (9,9,9),被 session B 的間隙鎖擋住了。

至此,兩個 session 進入互相等待狀態,形成死鎖。當然,InnoDB 的死鎖檢測馬上就發現了這對死鎖關係,讓 session A 的 insert 語句報錯返回了。

間隙鎖的引入,可能會導致同樣的語句鎖住更大的範圍,影響了併發度

解決方法

如果把隔離級別設置為讀提交的話,就沒有間隙鎖了。但同時,你要解決可能出現的數據和日誌不一致問題,需要把 binlog 格式設置為 row


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