黄东旭解析 TiDB 的核心优势
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2023-06-03
MySQL事务的隔离性是如何实现的?
并发场景
最近做了一些分布式事务的项目,对事务的隔离性有了更深的认识,后续写文章聊分布式事务。今天就复盘一下单机事务的隔离性是如何实现的?
「隔离的本质就是控制并发」,如果SQL语句就是串行执行的。那么数据库的四大特性中就不会有隔离性这个概念了,也就不会有脏读,不可重复读,幻读等各种问题了
「对数据库的各种并发操作,只有如下四种,写写,读读,读写和写读」
写-写
事务A更新一条记录的时候,事务B能同时更新同一条记录吗?
答案肯定是不能的,不然就会造成「脏写」问题,那如何避免脏写呢?答案就是「加锁」
读-读
MySQL读操作默认情况下不会加锁,所以可以并行的读
读-写 和 写-读
「基于各种场景对并发操作容忍程度不同,MySQL就搞了个隔离性的概念」。你自己根据业务场景选择隔离级别。
隔离级别脏读不可重复读幻读
「所以你看,MySQL是通过锁和隔离级别对MySQL进行并发控制的」
MySQL中的锁
行级锁
InnoDB存储引擎中有如下两种类型的行级锁
「共享锁」(Shared Lock,简称S锁),在事务需要读取一条记录时,需要先获取改记录的S锁
「排他锁」(Exclusive Lock,简称X锁),在事务要改动一条记录时,需要先获取该记录的X锁
如果事务T1获取了一条记录的S锁之后,事务T2也要访问这条记录。如果事务T2想再获取这个记录的S锁,可以成功,这种情况称为锁兼容,如果事务T2想再获取这个记录的X锁,那么此操作会被阻塞,直到事务T1提交之后将S锁释放掉
如果事务T1获取了一条记录的X锁之后,那么不管事务T2接着想获取该记录的S锁还是X锁都会被阻塞,直到事务1提交,这种情况称为锁不兼容。
「多个事务可以同时读取记录,即共享锁之间不互斥,但共享锁会阻塞排他锁。排他锁之间互斥」
S锁和X锁之间的兼容关系如下
兼容性X锁S锁
X锁 互斥 互斥 S锁 互斥 兼容
「update,delete,insert 都会自动给涉及到的数据加上排他锁,select 语句默认不会加任何锁」
那什么情况下会对读操作加锁呢?
select .. lock in share mode,对读取的记录加S锁select ... for update ,对读取的记录加X锁在事务中读取记录,对读取的记录加S锁事务隔离级别在 SERIALIZABLE 下,对读取的记录加S锁
「InnoDB中有如下三种锁」
Record Lock:对单个记录加锁
Gap Lock:间隙锁,锁住记录前面的间隙,不允许插入记录
Next-key Lock:同时锁住数据和数据前面的间隙,即数据和数据前面的间隙都不允许插入记录
写个Demo演示一下
CREATE TABLE `girl` ( `id` int(11) NOT NULL, `name` varchar(255), `age` int(11), PRIMARY KEY (`id`) ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
insert into girl values (1, '西施', 20), (5, '王昭君', 23), (8, '貂蝉', 25), (10, '杨玉环', 26), (12, '陈圆圆', 20);
Record Lock
「对单个记录加锁」
如把id值为8的数据加一个Record Lock,示意图如下
Record Lock也是有S锁和X锁之分的,兼容性和之前描述的一样。
SQL执行加什么样的锁受很多条件的制约,比如事务的隔离级别,执行时使用的索引(如,聚集索引,非聚集索引等),因此就不详细分析了,举几个简单的例子。
-- READ UNCOMMITTED/READ COMMITTED/REPEATABLE READ 利用主键进行等值查询 -- 对id=8的记录加S型Record Lock select * from girl where id = 8 lock in share mode; -- READ UNCOMMITTED/READ COMMITTED/REPEATABLE READ 利用主键进行等值查询 -- 对id=8的记录加X型Record Lock select * from girl where id = 8 for update;
Gap Lock
「锁住记录前面的间隙,不允许插入记录」
「MySQL在可重复读隔离级别下可以通过MVCC和加锁来解决幻读问题」
当前读:加锁
快照读:MVCC
但是该如何加锁呢?因为第一次执行读取操作的时候,这些幻影记录并不存在,我们没有办法加Record Lock,此时可以通过加Gap Lock解决,即对间隙加锁。
如一个事务对id=8的记录加间隙锁,则意味着不允许别的事务在id=8的记录前面的间隙插入新记录,即id值在(5, 8)这个区间内的记录是不允许立即插入的。直到加间隙锁的事务提交后,id值在(5, 8)这个区间中的记录才可以被提交
我们来看如下一个SQL的加锁过程
-- REPEATABLE READ 利用主键进行等值查询 -- 但是主键值并不存在 -- 对id=8的聚集索引记录加Gap Lock SELECT * FROM girl WHERE id = 7 LOCK IN SHARE MODE;
由于id=7的记录不存在,为了禁止幻读现象(避免在同一事务下执行相同的语句得到的结果集中有id=7的记录),所以在当前事务提交前我们要预防别的事务插入id=7的记录,此时在id=8的记录上加一个Gap Lock即可,即不允许别的事务插入id值在(5, 8)这个区间的新记录
「给大家提一个问题,Gap Lock只能锁定记录前面的间隙,那么最后一条记录后面的间隙该怎么锁定?」
其实mysql数据是存在页中的,每个页有2个伪记录
Infimum记录,表示该页面中最小的记录upremum记录,表示该页面中最大的记录
为了防止其它事务插入id值在(12, +∞)这个区间的记录,我们可以给id=12记录所在页面的Supremum记录加上一个gap锁,此时就可以阻止其他事务插入id值在(12, +∞)这个区间的新记录
Next-key Lock
「同时锁住数据和数据前面的间隙,即数据和数据前面的间隙都不允许插入记录」所以你可以这样理解Next-key Lock=Record Lock+Gap Lock
-- REPEATABLE READ 利用主键进行范围查询 -- 对id=8的聚集索引记录加S型Record Lock -- 对id>8的所有聚集索引记录加S型Next-key Lock(包括Supremum伪记录) SELECT * FROM girl WHERE id >= 8 LOCK IN SHARE MODE;
因为要解决幻读的问题,所以需要禁别的事务插入id>=8的记录,所以
对id=8的聚集索引记录加S型Record Lock
对id>8的所有聚集索引记录加S型Next-key Lock(包括Supremum伪记录)
表级锁
「表锁也有S锁和X锁之分」
在对某个表执行select,insert,update,delete语句时,innodb存储引擎是不会为这个表添加表级别的S锁或者X锁。
在对表执行一些诸如ALTER TABLE,DROP TABLE这类的DDL语句时,会对这个表加X锁,因此其他事务对这个表执行诸如SELECT INSERT UPDATE DELETE的语句会发生阻塞
对表t加表级别的S锁
lock tables t read
对表t加表级别的X锁
lock tables t write
「如果一个事务给表加了S锁,那么」
别的事务可以继续获得该表的S锁别的事务可以继续获得表中某些记录的S锁别的事务不可以继续获得该表的X锁别的事务不可以继续获得表中某些记录的X锁
「如果一个事务给表加了X锁,那么」
别的事务不可以继续获得该表的S锁别的事务不可以继续获得表中某些记录的S锁别的事务不可以继续获得该表的X锁别的事务不可以继续获得表中某些记录的X锁
「所以修改线上的表时一定要小心,因为会使大量事务阻塞」,目前有很多成熟的修改线上表的方法,不再赘述
隔离级别
读未提交:每次读取最新的记录,没有做特殊处理 串行化:事务串行执行,不会产生并发
所以我们重点关注「读已提交」和「可重复读」的隔离实现!
「这两种隔离级别是通过MVCC(多版本并发控制)来实现的,本质就是MySQL通过undolog存储了多个版本的历史数据,根据规则读取某一历史版本的数据,这样就可以在无锁的情况下实现读写并行,提高数据库性能」
「那么undolog是如何存储修改前的记录?」
「对于使用InnoDB存储引擎的表来说,聚集索引记录中都包含下面2个必要的隐藏列」
「trx_id」:一个事务每次对某条聚集索引记录进行改动时,都会把该事务的事务id赋值给trx_id隐藏列
「roll_pointer」:每次对某条聚集索引记录进行改动时,都会把旧的版本写入undo日志中。这个隐藏列就相当于一个指针,通过他找到该记录修改前的信息
如果一个记录的name从貂蝉被依次改为王昭君,西施,会有如下的记录,多个记录构成了一个版本链
「为了判断版本链中哪个版本对当前事务是可见的,MySQL设计出了ReadView的概念」。4个重要的内容如下
「m_ids」:在生成ReadView时,当前系统中活跃的事务id列表「min_trx_id」:在生成ReadView时,当前系统中活跃的最小的事务id,也就是m_ids中的最小值「max_trx_id」:在生成ReadView时,系统应该分配给下一个事务的事务id值「creator_trx_id」:生成该ReadView的事务的事务id
当对表中的记录进行改动时,执行insert,delete,update这些语句时,才会为事务分配唯一的事务id,否则一个事务的事务id值默认为0。
max_trx_id并不是m_ids中的最大值,事务id是递增分配的。比如现在有事务id为1,2,3这三个事务,之后事务id为3的事务提交了,当有一个新的事务生成ReadView时,m_ids的值就包括1和2,min_trx_id的值就是1,max_trx_id的值就是4
执行过程如下:
如果被访问版本的trx_id=creator_id,意味着当前事务在访问它自己修改过的记录,所以该版本可以被当前事务访问如果被访问版本的trx_id被访问版本的trx_id>=max_trx_id,表明生成该版本的事务在当前事务生成ReadView后才开启,该版本不可以被当前事务访问被访问版本的trx_id是否在m_ids列表中 4.1 是,创建ReadView时,该版本还是活跃的,该版本不可以被访问。顺着版本链找下一个版本的数据,继续执行上面的步骤判断可见性,如果最后一个版本还不可见,意味着记录对当前事务完全不可见 4.2 否,创建ReadView时,生成该版本的事务已经被提交,该版本可以被访问
「好了,我们知道了版本可见性的获取规则,那么是怎么实现读已提交和可重复读的呢?」
其实很简单,就是生成ReadView的时机不同
举个例子,先建立如下表
CREATE TABLE `girl` ( `id` int(11) NOT NULL, `name` varchar(255), `age` int(11), PRIMARY KEY (`id`) ) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;
Read Committed
「Read Committed(读已提交),每次读取数据前都生成一个ReadView」
下面是3个事务执行的过程,一行代表一个时间点
「先分析一下5这个时间点select的执行过程」
系统中有两个事务id分别为100,200的事务正在执行执行select语句时生成一个ReadView,mids=[100,200],min_trx_id=100,max_trx_id=201,creator_trx_id=0(select这个事务没有执行更改操作,事务id默认为0)最新版本的name列为西施,该版本trx_id值为100,在mids列表中,不符合可见性要求,根据roll_pointer跳到下一个版本下一个版本的name列王昭君,该版本的trx_id值为100,也在mids列表内,因此也不符合要求,继续跳到下一个版本下一个版本的name列为貂蝉,该版本的trx_id值为10,小于min_trx_id,因此最后返回的name值为貂蝉
「再分析一下8这个时间点select的执行过程」
系统中有一个事务id为200的事务正在执行(事务id为100的事务已经提交)执行select语句时生成一个ReadView,mids=[200],min_trx_id=200,max_trx_id=201,creator_trx_id=0最新版本的name列为杨玉环,该版本trx_id值为200,在mids列表中,不符合可见性要求,根据roll_pointer跳到下一个版本下一个版本的name列为西施,该版本的trx_id值为100,小于min_trx_id,因此最后返回的name值为西施
当事务id为200的事务提交时,查询得到的name列为杨玉环。
Repeatable Read
「Repeatable Read(可重复读),在第一次读取数据时生成一个ReadView」图片可重复读因为只在第一次读取数据的时候生成ReadView,所以每次读到的是相同的版本,即name值一直为貂蝉,具体的过程上面已经演示了两遍了,我这里就不重复演示了,相信你一定会自己分析了。
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