前言:

我們都知道事務(wù)的幾種性質(zhì)，數(shù)據(jù)庫為了維護這些性質(zhì)，尤其是一致性和隔離性，一般使用加鎖這種方式。同時數(shù)據(jù)庫又是個高并發(fā)的應(yīng)用，同一時間會有大量的并發(fā)訪問，如果加鎖過度，會極大的降低并發(fā)處理能力。所以對于加鎖的處理，可以說就是數(shù)據(jù)庫對于事務(wù)處理的精髓所在。這里通過分析MySQL中InnoDB引擎的加鎖機制，來拋磚引玉，讓讀者更好的理解，在事務(wù)處理中數(shù)據(jù)庫到底做了什么。

一次封鎖or兩段鎖？
因為有大量的并發(fā)訪問，為了預(yù)防死鎖，一般應(yīng)用中推薦使用一次封鎖法，就是在方法的開始階段，已經(jīng)預(yù)先知道會用到哪些數(shù)據(jù)，然后全部鎖住，在方法運行之后，再全部解鎖。這種方式可以有效的避免循環(huán)死鎖，但在數(shù)據(jù)庫中卻不適用，因為在事務(wù)開始階段，數(shù)據(jù)庫并不知道會用到哪些數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)庫遵循的是兩段鎖協(xié)議，將事務(wù)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：在該階段可以進行加鎖操作。在對任何數(shù)據(jù)進行讀操作之前要申請并獲得S鎖（共享鎖，其它事務(wù)可以繼續(xù)加共享鎖，但不能加排它鎖），在進行寫操作之前要申請并獲得X鎖（排它鎖，其它事務(wù)不能再獲得任何鎖）。加鎖不成功，則事務(wù)進入等待狀態(tài)，直到加鎖成功才繼續(xù)執(zhí)行。
解鎖階段：當事務(wù)釋放了一個封鎖以后，事務(wù)進入解鎖階段，在該階段只能進行解鎖操作不能再進行加鎖操作。
事務(wù)                       加鎖/解鎖處理
begin； 
insert into test ..... 加insert對應(yīng)的鎖
update test set... 加update對應(yīng)的鎖
delete from test .... 加delete對應(yīng)的鎖
commit; 事務(wù)提交時，同時釋放insert、update、delete對應(yīng)的鎖
這種方式雖然無法避免死鎖，但是兩段鎖協(xié)議可以保證事務(wù)的并發(fā)調(diào)度是串行化（串行化很重要，尤其是在數(shù)據(jù)恢復(fù)和備份的時候）的。

事務(wù)中的加鎖方式
事務(wù)的四種隔離級別
在數(shù)據(jù)庫操作中，為了有效保證并發(fā)讀取數(shù)據(jù)的正確性，提出的事務(wù)隔離級別。我們的數(shù)據(jù)庫鎖，也是為了構(gòu)建這些隔離級別存在的。

隔離級別 臟讀（Dirty Read） 不可重復(fù)讀（NonRepeatable Read） 幻讀（Phantom Read）

• 未提交讀（Read uncommitted） 可能 可能 可能
• 已提交讀（Read committed） 不可能 可能 可能
• 可重復(fù)讀（Repeatable read） 不可能 不可能 可能
• 可串行化（Serializable ） 不可能 不可能 不可能

未提交讀(Read Uncommitted)：允許臟讀，也就是可能讀取到其他會話中未提交事務(wù)修改的數(shù)據(jù)

提交讀(Read Committed)：只能讀取到已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)。Oracle等多數(shù)數(shù)據(jù)庫默認都是該級別 (不重復(fù)讀)
可重復(fù)讀(Repeated Read)：可重復(fù)讀。在同一個事務(wù)內(nèi)的查詢都是事務(wù)開始時刻一致的，InnoDB默認級別。在SQL標準中，該隔離級別消除了不可重復(fù)讀，但是還存在幻象讀
串行讀(Serializable)：完全串行化的讀，每次讀都需要獲得表級共享鎖，讀寫相互都會阻塞
Read Uncommitted這種級別，數(shù)據(jù)庫一般都不會用，而且任何操作都不會加鎖，這里就不討論了。

MySQL中鎖的種類
MySQL中鎖的種類很多，有常見的表鎖和行鎖，也有新加入的Metadata Lock等等,表鎖是對一整張表加鎖，雖然可分為讀鎖和寫鎖，但畢竟是鎖住整張表，會導(dǎo)致并發(fā)能力下降，一般是做ddl處理時使用。

行鎖則是鎖住數(shù)據(jù)行，這種加鎖方法比較復(fù)雜，但是由于只鎖住有限的數(shù)據(jù)，對于其它數(shù)據(jù)不加限制，所以并發(fā)能力強，MySQL一般都是用行鎖來處理并發(fā)事務(wù)。這里主要討論的也就是行鎖。

Read Committed（讀取提交內(nèi)容）
在RC級別中，數(shù)據(jù)的讀取都是不加鎖的，但是數(shù)據(jù)的寫入、修改和刪除是需要加鎖的。效果如下

MySQL> show create table class_teacher \G\
Table: class_teacher
Create Table: CREATE TABLE `class_teacher` (
 `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
 `class_name` varchar(100) COLLATE utf8mb4_unicode_ci NOT NULL,
 `teacher_id` int(11) NOT NULL,
 PRIMARY KEY (`id`),
 KEY `idx_teacher_id` (`teacher_id`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=5 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_unicode_ci

1 row in set (0.02 sec)

MySQL> select * from class_teacher;

+----+--------------+------------+
| id | class_name  | teacher_id |
+----+--------------+------------+
| 1 | 初三一班   |     1 |
| 3 | 初二一班   |     2 |
| 4 | 初二二班   |     2 |
+----+--------------+------------+

由于MySQL的InnoDB默認是使用的RR級別，所以我們先要將該session開啟成RC級別，并且設(shè)置binlog的模式

SET session transaction isolation level read committed;
SET SESSION binlog_format = 'ROW';

（或者是MIXED）
事務(wù)A 事務(wù)B
begin; begin;

update class_teacher set class_name='初三二班' where teacher_id=1; update class_teacher set class_name='初三三班' where teacher_id=1;

ERROR 1205 (HY000): Lock wait timeout exceeded; try restarting transaction

commit; 

為了防止并發(fā)過程中的修改沖突，事務(wù)A中MySQL給teacher_id=1的數(shù)據(jù)行加鎖，并一直不commit（釋放鎖），那么事務(wù)B也就一直拿不到該行鎖，wait直到超時。

這時我們要注意到，teacher_id是有索引的，如果是沒有索引的class_name呢？update class_teacher set teacher_id=3 where class_name = '初三一班';
那么MySQL會給整張表的所有數(shù)據(jù)行的加行鎖。這里聽起來有點不可思議，但是當sql運行的過程中，MySQL并不知道哪些數(shù)據(jù)行是 class_name = '初三一班'的（沒有索引嘛），如果一個條件無法通過索引快速過濾，存儲引擎層面就會將所有記錄加鎖后返回，再由MySQL Server層進行過濾。

但在實際使用過程當中，MySQL做了一些改進，在MySQL Server過濾條件，發(fā)現(xiàn)不滿足后，會調(diào)用unlock_row方法，把不滿足條件的記錄釋放鎖 (違背了二段鎖協(xié)議的約束)。這樣做，保證了最后只會持有滿足條件記錄上的鎖，但是每條記錄的加鎖操作還是不能省略的。可見即使是MySQL，為了效率也是會違反規(guī)范的。（參見《高性能MySQL》中文第三版p181）

這種情況同樣適用于MySQL的默認隔離級別RR。所以對一個數(shù)據(jù)量很大的表做批量修改的時候，如果無法使用相應(yīng)的索引，MySQL Server過濾數(shù)據(jù)的的時候特別慢，就會出現(xiàn)雖然沒有修改某些行的數(shù)據(jù)，但是它們還是被鎖住了的現(xiàn)象。

Repeatable Read（可重讀）
這是MySQL中InnoDB默認的隔離級別。我們姑且分“讀”和“寫”兩個模塊來講解。

讀
讀就是可重讀，可重讀這個概念是一事務(wù)的多個實例在并發(fā)讀取數(shù)據(jù)時，會看到同樣的數(shù)據(jù)行，有點抽象，我們來看一下效果。

RC（不可重讀）模式下的展現(xiàn)

事務(wù)A 事務(wù)B

begin; 
begin;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=1;

id class_name teacher_id
1 初三二班 1
2 初三一班 1
update class_teacher set class_name='初三三班' where id=1;

commit;
select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=1;

id class_name teacher_id
1 初三三班 1
2 初三一班 1

讀到了事務(wù)B修改的數(shù)據(jù)，和第一次查詢的結(jié)果不一樣，是不可重讀的。

commit; 

事務(wù)B修改id=1的數(shù)據(jù)提交之后，事務(wù)A同樣的查詢，后一次和前一次的結(jié)果不一樣，這就是不可重讀（重新讀取產(chǎn)生的結(jié)果不一樣）。這就很可能帶來一些問題，那么我們來看看在RR級別中MySQL的表現(xiàn)：

事務(wù)A 事務(wù)B 事務(wù)C

begin; 
begin;

begin;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=1;

id class_name teacher_id
1 初三二班 1
2 初三一班 1
update class_teacher set class_name='初三三班' where id=1;

commit;
insert into class_teacher values (null,'初三三班',1);
commit;
select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=1;

id class_name teacher_id
1 初三二班 1
2 初三一班 1

沒有讀到事務(wù)B修改的數(shù)據(jù)，和第一次sql讀取的一樣，是可重復(fù)讀的。

沒有讀到事務(wù)C新添加的數(shù)據(jù)。

commit; 

我們注意到，當teacher_id=1時，事務(wù)A先做了一次讀取，事務(wù)B中間修改了id=1的數(shù)據(jù)，并commit之后，事務(wù)A第二次讀到的數(shù)據(jù)和第一次完全相同。所以說它是可重讀的。那么MySQL是怎么做到的呢？這里姑且賣個關(guān)子，我們往下看。

不可重復(fù)讀和幻讀的區(qū)別
很多人容易搞混不可重復(fù)讀和幻讀，確實這兩者有些相似。但不可重復(fù)讀重點在于update和delete，而幻讀的重點在于insert。

如果使用鎖機制來實現(xiàn)這兩種隔離級別，在可重復(fù)讀中，該sql第一次讀取到數(shù)據(jù)后，就將這些數(shù)據(jù)加鎖，其它事務(wù)無法修改這些數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)可重復(fù)讀了。但這種方法卻無法鎖住insert的數(shù)據(jù)，所以當事務(wù)A先前讀取了數(shù)據(jù)，或者修改了全部數(shù)據(jù)，事務(wù)B還是可以insert數(shù)據(jù)提交，這時事務(wù)A就會發(fā)現(xiàn)莫名其妙多了一條之前沒有的數(shù)據(jù)，這就是幻讀，不能通過行鎖來避免。需要Serializable隔離級別 ，讀用讀鎖，寫用寫鎖，讀鎖和寫鎖互斥，這么做可以有效的避免幻讀、不可重復(fù)讀、臟讀等問題，但會極大的降低數(shù)據(jù)庫的并發(fā)能力。

所以說不可重復(fù)讀和幻讀最大的區(qū)別，就在于如何通過鎖機制來解決他們產(chǎn)生的問題。

上文說的，是使用悲觀鎖機制來處理這兩種問題，但是MySQL、ORACLE、PostgreSQL等成熟的數(shù)據(jù)庫，出于性能考慮，都是使用了以樂觀鎖為理論基礎(chǔ)的MVCC（多版本并發(fā)控制）來避免這兩種問題。

悲觀鎖和樂觀鎖
悲觀鎖
正如其名，它指的是對數(shù)據(jù)被外界（包括本系統(tǒng)當前的其他事務(wù)，以及來自外部系統(tǒng)的事務(wù)處理）修改持保守態(tài)度，因此，在整個數(shù)據(jù)處理過程中，將數(shù)據(jù)處于鎖定狀態(tài)。悲觀鎖的實現(xiàn)，往往依靠數(shù)據(jù)庫提供的鎖機制（也只有數(shù)據(jù)庫層提供的鎖機制才能真正保證數(shù)據(jù)訪問的排他性，否則，即使在本系統(tǒng)中實現(xiàn)了加鎖機制，也無法保證外部系統(tǒng)不會修改數(shù)據(jù)）。

在悲觀鎖的情況下，為了保證事務(wù)的隔離性，就需要一致性鎖定讀。讀取數(shù)據(jù)時給加鎖，其它事務(wù)無法修改這些數(shù)據(jù)。修改刪除數(shù)據(jù)時也要加鎖，其它事務(wù)無法讀取這些數(shù)據(jù)。

樂觀鎖
相對悲觀鎖而言，樂觀鎖機制采取了更加寬松的加鎖機制。悲觀鎖大多數(shù)情況下依靠數(shù)據(jù)庫的鎖機制實現(xiàn)，以保證操作最大程度的獨占性。但隨之而來的就是數(shù)據(jù)庫性能的大量開銷，特別是對長事務(wù)而言，這樣的開銷往往無法承受。

而樂觀鎖機制在一定程度上解決了這個問題。樂觀鎖，大多是基于數(shù)據(jù)版本（ Version ）記錄機制實現(xiàn)。何謂數(shù)據(jù)版本？即為數(shù)據(jù)增加一個版本標識，在基于數(shù)據(jù)庫表的版本解決方案中，一般是通過為數(shù)據(jù)庫表增加一個 “version” 字段來實現(xiàn)。讀取出數(shù)據(jù)時，將此版本號一同讀出，之后更新時，對此版本號加一。此時，將提交數(shù)據(jù)的版本數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫表對應(yīng)記錄的當前版本信息進行比對，如果提交的數(shù)據(jù)版本號大于數(shù)據(jù)庫表當前版本號，則予以更新，否則認為是過期數(shù)據(jù)。

要說明的是，MVCC的實現(xiàn)沒有固定的規(guī)范，每個數(shù)據(jù)庫都會有不同的實現(xiàn)方式，這里討論的是InnoDB的MVCC。

MVCC在MySQL的InnoDB中的實現(xiàn)
在InnoDB中，會在每行數(shù)據(jù)后添加兩個額外的隱藏的值來實現(xiàn)MVCC，這兩個值一個記錄這行數(shù)據(jù)何時被創(chuàng)建，另外一個記錄這行數(shù)據(jù)何時過期（或者被刪除）。 在實際操作中，存儲的并不是時間，而是事務(wù)的版本號，每開啟一個新事務(wù)，事務(wù)的版本號就會遞增。 在可重讀Repeatable reads事務(wù)隔離級別下：

• SELECT時，讀取創(chuàng)建版本號<=當前事務(wù)版本號，刪除版本號為空或>當前事務(wù)版本號。
• INSERT時，保存當前事務(wù)版本號為行的創(chuàng)建版本號
• DELETE時，保存當前事務(wù)版本號為行的刪除版本號
• UPDATE時，插入一條新紀錄，保存當前事務(wù)版本號為行創(chuàng)建版本號，同時保存當前事務(wù)版本號到原來刪除的行
• 通過MVCC，雖然每行記錄都需要額外的存儲空間，更多的行檢查工作以及一些額外的維護工作，但可以減少鎖的使用，大多數(shù)讀操作都不用加鎖，讀數(shù)據(jù)操作很簡單，性能很好，并且也能保證只會讀取到符合標準的行，也只鎖住必要行。

我們不管從數(shù)據(jù)庫方面的教課書中學(xué)到，還是從網(wǎng)絡(luò)上看到，大都是上文中事務(wù)的四種隔離級別這一模塊列出的意思，RR級別是可重復(fù)讀的，但無法解決幻讀，而只有在Serializable級別才能解決幻讀。于是我就加了一個事務(wù)C來展示效果。在事務(wù)C中添加了一條teacher_id=1的數(shù)據(jù)commit，RR級別中應(yīng)該會有幻讀現(xiàn)象，事務(wù)A在查詢teacher_id=1的數(shù)據(jù)時會讀到事務(wù)C新加的數(shù)據(jù)。但是測試后發(fā)現(xiàn)，在MySQL中是不存在這種情況的，在事務(wù)C提交后，事務(wù)A還是不會讀到這條數(shù)據(jù)。可見在MySQL的RR級別中，是解決了幻讀的讀問題的。參見下圖

讀問題解決了，根據(jù)MVCC的定義，并發(fā)提交數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)沖突，那么沖突時如何解決呢？我們再來看看InnoDB中RR級別對于寫數(shù)據(jù)的處理。

“讀”與“讀”的區(qū)別
可能有讀者會疑惑，事務(wù)的隔離級別其實都是對于讀數(shù)據(jù)的定義，但到了這里，就被拆成了讀和寫兩個模塊來講解。這主要是因為MySQL中的讀，和事務(wù)隔離級別中的讀，是不一樣的。

我們且看，在RR級別中，通過MVCC機制，雖然讓數(shù)據(jù)變得可重復(fù)讀，但我們讀到的數(shù)據(jù)可能是歷史數(shù)據(jù)，是不及時的數(shù)據(jù)，不是數(shù)據(jù)庫當前的數(shù)據(jù)！這在一些對于數(shù)據(jù)的時效特別敏感的業(yè)務(wù)中，就很可能出問題。

對于這種讀取歷史數(shù)據(jù)的方式，我們叫它快照讀 (snapshot read)，而讀取數(shù)據(jù)庫當前版本數(shù)據(jù)的方式，叫當前讀 (current read)。很顯然，在MVCC中：

快照讀：就是select

select * from table ....;

當前讀：特殊的讀操作，插入/更新/刪除操作，屬于當前讀，處理的都是當前的數(shù)據(jù)，需要加鎖。

select * from table where ? lock in share mode;
select * from table where ? for update;
insert;
update ;
delete;

事務(wù)的隔離級別實際上都是定義了當前讀的級別，MySQL為了減少鎖處理（包括等待其它鎖）的時間，提升并發(fā)能力，引入了快照讀的概念，使得select不用加鎖。而update、insert這些“當前讀”，就需要另外的模塊來解決了。

寫（"當前讀"）
事務(wù)的隔離級別中雖然只定義了讀數(shù)據(jù)的要求，實際上這也可以說是寫數(shù)據(jù)的要求。上文的“讀”，實際是講的快照讀；而這里說的“寫”就是當前讀了。
為了解決當前讀中的幻讀問題，MySQL事務(wù)使用了Next-Key鎖。

Next-Key鎖
Next-Key鎖是行鎖和GAP（間隙鎖）的合并，行鎖上文已經(jīng)介紹了，接下來說下GAP間隙鎖。

行鎖可以防止不同事務(wù)版本的數(shù)據(jù)修改提交時造成數(shù)據(jù)沖突的情況。但如何避免別的事務(wù)插入數(shù)據(jù)就成了問題。我們可以看看RR級別和RC級別的對比

RC級別：

事務(wù)A 事務(wù)B

begin; 
begin;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=30;

id class_name teacher_id
2 初三二班 30


update class_teacher set class_name='初三四班' where teacher_id=30; 
insert into class_teacher values (null,'初三二班',30);

commit;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=30;

id class_name teacher_id
2 初三四班 30
10 初三二班 30


RR級別：

事務(wù)A 事務(wù)B
begin; 
begin;

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=30;

id class_name teacher_id
2 初三二班 30 
update class_teacher set class_name='初三四班' where teacher_id=30; 
insert into class_teacher values (null,'初三二班',30);

waiting....

select id,class_name,teacher_id from class_teacher where teacher_id=30;

id class_name teacher_id
2 初三四班 30 
commit; 

事務(wù)Acommit后，事務(wù)B的insert執(zhí)行。
通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，在RC級別中，事務(wù)A修改了所有teacher_id=30的數(shù)據(jù)，但是當事務(wù)Binsert進新數(shù)據(jù)后，事務(wù)A發(fā)現(xiàn)莫名其妙多了一行teacher_id=30的數(shù)據(jù)，而且沒有被之前的update語句所修改，這就是“當前讀”的幻讀。

RR級別中，事務(wù)A在update后加鎖，事務(wù)B無法插入新數(shù)據(jù)，這樣事務(wù)A在update前后讀的數(shù)據(jù)保持一致，避免了幻讀。這個鎖，就是Gap鎖。

MySQL是這么實現(xiàn)的：

在class_teacher這張表中，teacher_id是個索引，那么它就會維護一套B+樹的數(shù)據(jù)關(guān)系，為了簡化，我們用鏈表結(jié)構(gòu)來表達（實際上是個樹形結(jié)構(gòu)，但原理相同）

如圖所示，InnoDB使用的是聚集索引，teacher_id身為二級索引，就要維護一個索引字段和主鍵id的樹狀結(jié)構(gòu)（這里用鏈表形式表現(xiàn)），并保持順序排列。

Innodb將這段數(shù)據(jù)分成幾個個區(qū)間

(negative infinity, 5],
(5,30],
(30,positive infinity)；
update class_teacher set class_name='初三四班' where teacher_id=30;

不僅用行鎖，鎖住了相應(yīng)的數(shù)據(jù)行；同時也在兩邊的區(qū)間，（5,30]和（30，positive infinity），都加入了gap鎖。這樣事務(wù)B就無法在這個兩個區(qū)間insert進新數(shù)據(jù)。

受限于這種實現(xiàn)方式，Innodb很多時候會鎖住不需要鎖的區(qū)間。如下所示：

事務(wù)A 事務(wù)B 事務(wù)C

begin; begin; begin;
select id,class_name,teacher_id from class_teacher;

id class_name teacher_id
1 初三一班 
5

2 初三二班 30 
update class_teacher set class_name='初一一班' where teacher_id=20; 
insert into class_teacher values (null,'初三五班',10);

waiting .....

insert into class_teacher values (null,'初三五班',40);
commit; 事務(wù)A commit之后，這條語句才插入成功 commit;
commit; 

update的teacher_id=20是在(5，30]區(qū)間，即使沒有修改任何數(shù)據(jù)，Innodb也會在這個區(qū)間加gap鎖，而其它區(qū)間不會影響，事務(wù)C正常插入。

如果使用的是沒有索引的字段，比如update class_teacher set teacher_id=7 where class_name='初三八班（即使沒有匹配到任何數(shù)據(jù)）',那么會給全表加入gap鎖。同時，它不能像上文中行鎖一樣經(jīng)過MySQL Server過濾自動解除不滿足條件的鎖，因為沒有索引，則這些字段也就沒有排序，也就沒有區(qū)間。除非該事務(wù)提交，否則其它事務(wù)無法插入任何數(shù)據(jù)。

行鎖防止別的事務(wù)修改或刪除，GAP鎖防止別的事務(wù)新增，行鎖和GAP鎖結(jié)合形成的的Next-Key鎖共同解決了RR級別在寫數(shù)據(jù)時的幻讀問題。

Serializable
這個級別很簡單，讀加共享鎖，寫加排他鎖，讀寫互斥。使用的悲觀鎖的理論，實現(xiàn)簡單，數(shù)據(jù)更加安全，但是并發(fā)能力非常差。如果你的業(yè)務(wù)并發(fā)的特別少或者沒有并發(fā)，同時又要求數(shù)據(jù)及時可靠的話，可以使用這種模式。

這里要吐槽一句，不要看到select就說不會加鎖了，在Serializable這個級別，還是會加鎖的！

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