介紹鎖機制

技術是為瞭解決問題而生的，鎖被用來實現隔離性，保證併發事務的正確性。

兩段鎖 & 一次封鎖

兩段鎖

資料庫遵循的是兩段鎖協議，將事務分成兩個階段，加鎖階段和解鎖階段（所以叫兩段鎖）

• 加鎖階段：在加鎖階段只能進行加鎖操作。

  • 如果事務要讀取對象，必須先獲得共用鎖。可以有多個事務同時獲得一個對象的共用鎖
  • 如果事務要修改對象，必須先獲得獨占鎖。只能有一個事務獲得對象的獨占鎖。如果某個事務已經獲得了對象的獨占鎖，則其他嘗試獲取鎖（包括共用鎖、獨占鎖）的事務必須等待，直到加鎖成功才能繼續執行

• 解鎖階段：在解鎖階段只能進行解鎖操作。

事務要讀取對象 ，必須先獲得共用鎖，這樣防止幻讀。事務要修改對象，必須先獲得獨占鎖，這樣防止臟寫。

兩段鎖可以這樣來實現：事務開始後就處於加鎖階段，一直到執行 rollback 或 commit 之前都是加鎖階段。rollback 和 commit 使事務進入解鎖階段，即在 rollback 或 commit 時釋放持有的鎖。

一次封鎖

一次封鎖法遵守兩段鎖協議。

一次封鎖要求每個事務必須一次將所有要使用的數據全部加鎖，否則就不能繼續執行。

一次封鎖存在的問題：

• 封鎖時間被延長，併發度被降低：一次就將以後要用到的全部數據加鎖，勢必延長了封鎖的時間，從而降低了系統的併發度。
• 不適合用在資料庫：一次封鎖不適合用在資料庫中，因為在事務開始階段，資料庫並不知道會用到哪些數據。

一次封鎖的好處：不會出現死鎖。

為什麼要使用兩段鎖呢？用完直接釋放鎖不行嗎？

不行，用完直接釋放會使事務的隔離性受到影響。具體介紹可以看下麵的文章。Mysql鎖：靈魂七拷問 (youzan.com)

兩段鎖 的優劣局限

兩段鎖的優點 / 作用：

• 解決事務併發問題：防止臟寫、臟讀 ......
• 實現可串列化隔離：將兩段鎖與謂詞鎖結合使用，可以防止所有形式的寫傾斜以及其他競爭條件，實現可串列化隔離
• 性能和實際串列相比：相比於實際串列來說，使用兩段鎖時，多個事務可以併發讀取同一個對象
• 性能和一次封鎖來比：相比於一次封鎖，兩段鎖的鎖定時間更短，事務併發性比一次封鎖要好

兩段鎖的缺點：

• 性能：使用兩段鎖，事務吞吐量和查詢響應時間相比於其他弱隔離級別下降非常多。部分原因在於鎖的獲取和釋放本身的開銷，但更重要的是其降低了事務的併發性。
• 訪問延遲具有非常大的不確定性：假如一個事務需要等待另一個事務釋放鎖，另一個事務釋放鎖的時機是不確定的，因此等待它釋放鎖的耗時是不確定的。
• 死鎖更加頻繁：由於兩段鎖的加鎖模式，死鎖可能變得更為頻繁。因而導致另一個性能問題，即如果事務由於死鎖而被強行中止，應用層就必須從頭重試，假如死鎖過於頻繁，則性能和效率必然大打折扣。

資料庫系統會自動檢測死鎖情況，並強行中止其中的一個事務以打破僵局

由於使用了這麼多的鎖機制，所以很容易出現死鎖現象 ，例如事務 A 可能在等待事務 B 釋放它持有的鎖， 而事務 B 在等待事務 A 釋放它持有的鎖。資料庫系統會自動檢測事務之間的死鎖情況，並強行中止其中的一個事務以打破僵局，這樣另一個可以繼續向前執行 。而被中止的事務需要由應用層來重試。

MySQL 提供的鎖

根據加鎖的範圍，MySQL 裡面的鎖大致可以分成全局鎖、表級鎖和行級鎖三類。

全局鎖

全局鎖就是對整個資料庫實例加鎖。

給資料庫實例加全局鎖的命令：flush tables with read lock;（FTWRL）

釋放鎖的命令：unlock tables;（表級鎖、行級鎖釋放也是這個命令）

加上全局鎖之後，整個資料庫處於只讀狀態，其他線程的以下語句會被阻塞：

• 數據更新語句（數據的增刪改 insert、delete、update）
• 數據定義語句（DDL、包括建表、修改表結構等）
• 更新類事務的提交語句（更新類事務就是使用了類似 select * from t1 for update; 帶 for update 的查詢的事務）

全局鎖的典型使用場景是，做全庫邏輯備份。也就是把整庫每個表存成 .sql 類型的文件。

全局鎖的作用相當於是停止更新操作，拿到一個一致性視圖。

MySQL 的在可重覆讀隔離級別下開啟一個事務也可以拿到一個一致性視圖，並且後者可以做到不影響更新操作。

官方自帶了全量邏輯備份工具 mysqldump。

• 當 mysqldump 使用參數 –single-transaction 的時候，就會使用基於 MVCC 機制的一致性視圖。
• 當 mysqldump 使用參數 –master-data 的時候，就會使用基於全局讀鎖的一致性視圖。

表級鎖

表級鎖就是對錶加鎖。

MySQL 裡面表級別的鎖有三種：

• 表鎖；
• 元數據鎖（meta data lock，MDL）；
• 意向鎖。

表鎖

表鎖就是對整個數據表加鎖。

給數據表加表鎖的命令：lock table 表名 read / write;

釋放表鎖的命令和釋放全局鎖的命令一樣，都是：unlock tables;。如果不手動釋放表鎖，在客戶端斷開的時候會自動釋放表鎖。

需要註意的是，lock tables 語法除了會限制別的線程的讀寫外，也限定了本線程接下來的操作對象。

舉個例子，如果線上程 A 中執行 lock tables t1 read, t2 write; 這個語句，則其他線程寫 t1、讀寫 t2 的語句都會被阻塞。同時，線程 A 在執行 unlock tables 之前，也只能執行讀 t1、讀寫 t2 的操作。連寫 t1 都不允許，自然也不能訪問其他表。

意向鎖

表鎖分為：共用鎖、獨占鎖。

• 如果我們想對整個數據表加共用鎖，首先要確保表中沒有記錄被加獨占鎖
• 如果我們想對整個數據表加獨占鎖，首先要確保表中沒有記錄被加共用鎖 / 獨占鎖

那麼我們該如何來判斷表中是否有記錄被加獨占鎖 / 獨占鎖呢？我們可以通過遍歷所有記錄的方式來查看表中有沒有被加鎖的記錄，而遍歷的方式太慢了。

意向鎖的提出就是為了加表級別的共用鎖 和 獨占鎖時，快速判斷表中的記錄是否被上鎖，以避免用遍歷的方式來查看表中有沒有被加鎖的記錄，提供判斷速度。

意向鎖分為：意向共用鎖、意向獨占鎖：

• 當事務準備在某條記錄上加 共用鎖 時，需要先在表級別加一個 意向共用鎖；
• 當事務準備在某條記錄上加 獨占鎖 時，需要先在表級別加一個 意向獨占鎖。

這樣，如果表級別存在 意向共用鎖，就意味著表中有被加 共用鎖 的記錄；如果表級別存在 意向獨占鎖，就意味著表中有被加 獨占鎖 的記錄。通過意向鎖我們就可以快速判斷表中是否有記錄被加鎖。

表鎖和意向鎖的相容互斥關係

意向共用鎖、意向獨占鎖是相容的。表鎖和意向鎖的相容互斥關係如下：

• ✔️代表二者相容；
• ❌代表二者互斥。

• 如果該表持有意向共用鎖，意味著表中有記錄持有共用鎖，那麼表共用鎖可以加鎖成功；表獨占鎖加鎖失敗，阻塞等待
• 如果該表持有意向獨占鎖，意味著表中有記錄持有獨占鎖，那麼表共用鎖、表獨占鎖加鎖失敗，阻塞等待

元數據鎖

元數據鎖（meta data lock，MDL）是 MySQL 5.5 版本引入的。

MDL 不需要顯式使用，在訪問一個表的時候會被自動加 MDL 鎖。

MDL 鎖分為：MDL 讀鎖、MDL 寫鎖：

• DML 操作（數據的增刪改查：insert、delete、update、select）加 MDL 讀鎖
• DDL 操作（對錶結構做變更操作）加 MDL 寫鎖。

MDL 鎖的加鎖、釋放鎖的規則：

• MDL 讀鎖與 MDL 讀鎖互不幹擾。
• MDL 寫鎖與 MDL 寫鎖、MDL 寫鎖與 MDL 讀鎖相互阻塞。用來保證變更表結構操作的安全性。
• MDL 鎖使用兩段鎖：事務獲得鎖之後， 一直持有鎖直到事務結束（包括提交或中止）。

MDL 鎖作用是：防止 DDL 操作和 DML 操作併發，保證變更表結構操作的安全性。

需要註意的是，如果申請加 MDL 鎖失敗，那麼再此之後的加鎖申請都必須等待（公平鎖機制，遵循先來先執行原則，先來的沒有加鎖成功，後來的不能加鎖）。因此執行 DDL 操作時要格外註意，如果操作執行時間過長，後面的 DML 操作都將被阻塞較長時間。

行級鎖

行級鎖就是對記錄加鎖。

行級鎖又分為各種類型，不同類型的行級鎖的作用也不同，行級鎖分為：

• Record Lock：行鎖，單個行記錄的鎖
• Gap Lock：間隙鎖，作用於記錄與記錄之間的空隙，作用僅僅是為了防止滿足搜索條件的記錄插入空隙（防止插入幻影記錄）
• Next-Key Lock：索引區間鎖，本質是一個行鎖 和 一個 Gap Lock 的結合體

InnoDB 存儲引擎的行級鎖是通過給索引上的索引項加鎖來實現的，因此如果一條 SQL 語句沒有走索引，那麼不會使用行級鎖的，會使用表鎖。

行級鎖的缺點是：由於需要請求大量的鎖資源，所以速度慢，記憶體消耗大。

Gap Lock 說明

A gap lock is a lock on a gap between index records, or a lock on the gap before the first or after the last index record. For example, SELECT c1 FROM t WHERE c1 BETWEEN 10 and 20 FOR UPDATE; prevents other transactions from inserting a value of 15 into column t.c1, whether or not there was already any such value in the column, because the gaps between all existing values in the range are locked.

只在可重覆讀或以上隔離級別下的特定操作才會加間隙鎖。在 加讀寫鎖的 select、update 和 delete 時，除了基於唯一索引（主鍵索引也屬於唯一索引）的查詢之外，基於其他索引查詢時都會加間隙鎖。

加鎖規則：包含了兩個“原則”、兩個“優化”和一個“bug”。

• 原則 1：加鎖的基本單位是 next-key lock。next-key lock 是前開後閉區間。
• 原則 2：查找過程中訪問到的對象才會加鎖。
• 優化 1：索引上的等值查詢，給唯一索引加鎖的時候，next-key lock 退化為行鎖。
• 優化 2：索引上的等值查詢，向右遍歷時且最後一個值不滿足等值條件的時候，next-key lock 退化為間隙鎖。
• 一個 bug：唯一索引上的範圍查詢會訪問到不滿足條件的第一個值為止。

共用鎖 & 獨占鎖 說明

表鎖、元數據鎖、行鎖又都分為共用鎖和獨占鎖。

• 共用鎖-共用鎖相容：如果事務要讀取對象 ，必須先以共用模式獲得鎖。可以有多個事務同時獲得一個對象的共用鎖
• 共用鎖-獨占鎖、獨占鎖-獨占鎖互斥：如果事務要修改對象，必須先以獨占模式獲取鎖。只能有一個事務獲得對象的獨占鎖。如果某個事務已經獲得了對象的獨占鎖，則其他嘗試獲取鎖（包括共用鎖、獨占鎖）的事務必須等待

共用鎖 和 獨占鎖 的相容互斥關係如下：

• ✔️代表二者相容；
• ❌代表二者互斥。

為什麼要分 共用鎖、獨占鎖：允許多個事務併發讀，但只允許一個事務寫，既支持併發提高性能，又保證了併發安全。

參考資料

06 | 全局鎖和表鎖 ：給表加個欄位怎麼有這麼多阻礙？ (geekbang.org)

07 | 行鎖功過：怎麼減少行鎖對性能的影響？ (geekbang.org)

21 | 為什麼我只改一行的語句，鎖這麼多？ (geekbang.org)

《數據密集型應用系統設計》第七章：事務

《MySQL 是怎樣運行的：從根兒上理解 MySQL》第25章 工作面試老大難-鎖

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