1.MySQL面试题之innodb如何解决幻读

至真源2024-08-06 5:06

1. 写在前面

在数据库系统中，幻读（Phantom Read）是指在一个事务中，两次读取同一范围的数据集时，由于其他事务的插入操作，导致第二次读取结果集发生变化的问题。InnoDB 作为 MySQL 的一个存储引擎，通过多种机制来解决幻读问题，主要包括锁机制和隔离级别。

2. 幻读问题的产生

假设有一个事务 T1，它在某个条件下查询了一批记录。在 T1 进行第一次查询后，如果另一个事务 T2 在 T1 的查询范围内插入了新的记录，那么当 T1 再次查询时，会发现多出了 T2 插入的记录，这就是幻读。

3. InnoDB 如何解决幻读

InnoDB 通过以下两种主要机制来解决幻读问题：

  1. Next-Key Locks（间隙锁）
  2. MVCC（多版本并发控制）

3.1 Next-Key Locks

Next-Key Locks（间隙锁）是 InnoDB 存储引擎在实现可重复读（REPEATABLE READ）和串行化（SERIALIZABLE）隔离级别时使用的一种锁机制。它结合了记录锁和间隙锁，用于锁定一个记录及其前后的间隙，防止其他事务在间隙中插入新的记录，从而避免幻读。

3.1.1 组成

Next-Key Locks 是记录锁（Record Lock）和间隙锁（Gap Lock）的组合。具体来说：

  • 记录锁（Record Lock）：锁定单个记录，防止其他事务对该记录进行修改。
  • 间隙锁（Gap Lock）：锁定记录之间的间隙，防止其他事务在间隙中插入新的记录。

3.1.2 工作原理

Next-Key Locks 的工作原理是通过锁定一个记录及其前后的间隙，确保在一个事务中，任何插入操作都不会影响到该事务已经读取的数据范围，从而避免幻读。

假设有一个表 employees，包含以下数据：

sql 复制代码 
CREATE TABLE employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

INSERT INTO employees (id, name) VALUES (1, 'Alice'), (2, 'Bob'), (3, 'Charlie');

在可重复读隔离级别下，事务 T1 和 T2 的操作如下：

sql 复制代码 
-- 事务 T1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id BETWEEN 1 AND 3;

-- 事务 T2
START TRANSACTION;
INSERT INTO employees (id, name) VALUES (4, 'David');
COMMIT;

-- 事务 T1
SELECT * FROM employees WHERE id BETWEEN 1 AND 3;
COMMIT;

在上述操作中，T1 在第一次查询时会锁定 id 在 1 到 3 之间的记录及其前后的间隙：

  • 锁定记录 id=1 及其前后的间隙 (-∞, 1]
  • 锁定记录 id=2 及其前后的间隙 (1, 2]
  • 锁定记录 id=3 及其前后的间隙 (2, 3]
  • 锁定记录 id=4 及其前后的间隙 (3, +∞)

由于 T1 使用的是可重复读隔离级别，InnoDB 通过 Next-Key Locks 确保 T1 在第二次查询时，读取的结果集不会受到 T2 插入操作的影响，从而避免了幻读。

3.1.3 Next-Key Locks 的应用场景

Next-Key Locks 主要应用于以下隔离级别：

  • 可重复读（REPEATABLE READ）：在该隔离级别下，InnoDB 使用 Next-Key Locks 确保在一个事务中，读取的数据集在整个事务期间保持一致，避免幻读。
  • 串行化（SERIALIZABLE）：在该隔离级别下，InnoDB 通过 Next-Key Locks 确保所有读取操作都加锁，事务之间完全隔离，避免幻读。

3.1.4 Next-Key Locks 的优缺点

优点：

  • 避免幻读：通过锁定记录及其前后的间隙，Next-Key Locks 可以有效避免幻读问题。
  • 数据一致性：在高并发环境下，Next-Key Locks 可以确保数据的一致性

缺点：

  • 锁粒度较大：由于 Next-Key Locks 锁定了记录及其前后的间隙，锁粒度较大，可能会影响并发性能。
  • 死锁风险：在高并发环境下，Next-Key Locks 可能会导致死锁，需要进行死锁检测和处理。
    死锁的详细原因下面我们展开说。

3.2 间隙锁（Gap Lock）

间隙锁是 Next-Key Locks 的一个重要组成部分，用于锁定记录之间的间隙，防止其他事务在间隙中插入新的记录。间隙锁的范围包括：

  • 起始记录之前的间隙，例如 (-∞, 1)
  • 两条记录之间的间隙，例如 (1, 2)
  • 结束记录之后的间隙，例如 (3, +∞)
    通过锁定这些间隙，InnoDB 可以确保在一个事务中，任何插入操作都不会影响到该事务已经读取的数据范围，从而避免幻读。

3.3 MVCC（多版本并发控制）

多版本并发控制（MVCC, Multi-Version Concurrency Control）是一种用于管理数据库并发访问的技术。MVCC 通过为每个事务提供一个一致的视图，确保在高并发环境下，事务可以独立地进行读写操作，而不会相互干扰。InnoDB 存储引擎在实现可重复读（REPEATABLE READ）和读已提交（READ COMMITTED）隔离级别时，广泛使用了 MVCC 技术。

3.3.1 基本原理

MVCC 的核心思想是为每个数据行维护多个版本，并通过版本号或时间戳来区分这些版本。每个事务在读取数据时，会根据事务开始时的快照视图，读取符合其版本号或时间戳的数据。这样，不同事务可以同时读取和写入数据库，而不会相互阻塞。
数据版本

在 InnoDB 中，每行数据都有两个隐藏的列，用于实现 MVCC：

  • 事务 ID（Transaction ID）：表示创建或最后修改该行数据的事务 ID。
  • 回滚指针（Rollback Pointer）：指向数据行的前一个版本，用于实现回滚操作。

当一个事务对数据行进行修改时，会创建该数据行的一个新版本，并更新事务 ID 和回滚指针。

3.3.2 实现细节

MVCC 主要通过以下两个操作来实现：

  • 快照读（Snapshot Read）
  • 当前读（Current Read）
3.3.2.1 快照读（Snapshot Read）

快照读是指事务读取数据时，读取的是数据的快照版本，而不是当前最新的数据。快照版本是事务开始时的数据状态。快照读不会加锁，因此可以实现高效的并发访问。

快照读的典型操作包括：

SELECT 语句（不带 FOR UPDATE 或 LOCK IN SHARE MODE）
这个面试被问过，大家注意

3.3.2.2 当前读（Current Read）

当前读是指事务读取数据时，读取的是当前最新的数据，并且会对读取的数据加锁，以确保数据一致性。当前读通常用于更新操作。

当前读的典型操作包括：

  • SELECT ... FOR UPDATE
  • SELECT ... LOCK IN SHARE MODE
  • UPDATE
  • DELETE
  • INSERT

3.3.3 MVCC 在不同隔离级别下的表现

MVCC 在不同的隔离级别下有不同的表现：

  1. 读未提交（READ UNCOMMITTED）：在该隔离级别下，事务可以读取其他事务未提交的数据，不使用 MVCC。
  2. 读已提交（READ COMMITTED）：在该隔离级别下，事务每次读取数据时，读取的是当前最新的已提交版本。MVCC 确保事务读取的数据是已提交的最新版本。
  3. 可重复读（REPEATABLE READ）：在该隔离级别下，事务在整个生命周期内，读取的是事务开始时的一致性视图。MVCC 确保事务读取的数据在整个事务期间保持一致。
  4. 串行化（SERIALIZABLE）：在该隔离级别下，事务之间完全隔离，所有读取操作都加锁，不使用 MVCC。

3.3.4 MVCC 的优缺点

优点：

  • 高并发性能：通过快照读，事务可以在不加锁的情况下读取数据，提高了并发性能。
  • 减少锁争用：MVCC 避免了读写锁争用问题，提高了系统的吞吐量。
  • 数据一致性：通过为每个事务提供一致性视图，MVCC 确保了数据的一致性和隔离性。

缺点：

  • 存储开销：由于每行数据需要维护多个版本，MVCC 会增加存储开销。
  • 垃圾回收：需要定期清理过期的版本数据，以防止存储空间的浪费。
  • 实现复杂：MVCC 的实现需要维护复杂的数据结构和版本管理逻辑。

假设有一个表 employees，包含以下数据：

sql 复制代码 
CREATE TABLE employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

INSERT INTO employees (id, name) VALUES (1, 'Alice'), (2, 'Bob'), (3, 'Charlie');

在可重复读隔离级别下，事务 T1 和 T2 的操作如下：

sql 复制代码 
-- 事务 T1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id = 1;

-- 事务 T2
START TRANSACTION;
UPDATE employees SET name = 'Bob Updated' WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 事务 T1
SELECT * FROM employees WHERE id = 2;
COMMIT;

在上述操作中，T1 在第一次查询时读取了 id=1 的记录。此时，T2 更新了 id=2 的记录，并提交了事务。由于 T1 使用的是可重复读隔离级别，InnoDB 通过 MVCC 确保 T1 在第二次查询时，读取的 id=2 的记录仍然是事务开始时的一致性视图，而不是 T2 更新后的数据。

4. 高并发环境下，Next-Key Locks 死锁分析

在高并发环境下，Next-Key Locks（间隙锁）可能会导致死锁的原因主要包括以下几个方面：

4.1 锁竞争

在高并发环境中，多个事务可能会同时尝试锁定相同的记录或间隙。由于 Next-Key Locks 锁定的范围较大，锁竞争的概率增加。例如，两个事务可能会同时尝试插入不同的记录，但由于间隙锁的存在，它们可能会互相等待对方释放锁，从而导致死锁。

假设有一个表 employees，包含以下数据：

sql 复制代码 
CREATE TABLE employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

INSERT INTO employees (id, name) VALUES (1, 'Alice'), (3, 'Charlie');

在高并发环境下，事务 T1 和 T2 的操作如下：

sql 复制代码 
-- 事务 T1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id = 1;
-- 锁定记录 id=1 及其前后的间隙 (-∞, 1] 和 (1, 3)

-- 事务 T2
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id = 3;
-- 锁定记录 id=3 及其前后的间隙 (1, 3] 和 (3, +∞)

-- 事务 T1
INSERT INTO employees (id, name) VALUES (2, 'Bob');
-- 尝试锁定间隙 (1, 3)，但被事务 T2 锁定

-- 事务 T2
INSERT INTO employees (id, name) VALUES (2, 'David');
-- 尝试锁定间隙 (1, 3)，但被事务 T1 锁定

在上述操作中，T1 和 T2 互相等待对方释放间隙锁，从而导致死锁。

4.2 锁顺序不一致

如果不同事务获取锁的顺序不一致，也可能导致死锁。例如，一个事务先锁定记录 A 再锁定记录 B，而另一个事务先锁定记录 B 再锁定记录 A，这种锁顺序的不一致可能导致两个事务互相等待对方释放锁，从而导致死锁。

假设有一个表 employees，包含以下数据：

sql 复制代码 
CREATE TABLE employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

INSERT INTO employees (id, name) VALUES (1, 'Alice'), (2, 'Bob'), (3, 'Charlie');

在高并发环境下，事务 T1 和 T2 的操作如下：

sql 复制代码 
-- 事务 T1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id = 1;
-- 锁定记录 id=1 及其前后的间隙 (-∞, 1] 和 (1, 2)

-- 事务 T2
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id = 3;
-- 锁定记录 id=3 及其前后的间隙 (2, 3] 和 (3, +∞)

-- 事务 T1
SELECT * FROM employees WHERE id = 3;
-- 尝试锁定记录 id=3 及其前后的间隙 (2, 3] 和 (3, +∞)，但被事务 T2 锁定

-- 事务 T2
SELECT * FROM employees WHERE id = 1;
-- 尝试锁定记录 id=1 及其前后的间隙 (-∞, 1] 和 (1, 2)，但被事务 T1 锁定

在上述操作中，T1 和 T2 获取锁的顺序不一致，导致互相等待对方释放锁，从而导致死锁。

4.3 锁粒度较大

Next-Key Locks 锁定的范围较大，包括记录及其前后的间隙，这增加了锁冲突的概率。在高并发环境下，锁粒度较大的情况下，多个事务可能会同时尝试锁定相同的间隙，从而导致死锁。

假设有一个表 employees，包含以下数据：

sql 复制代码 
CREATE TABLE employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

INSERT INTO employees (id, name) VALUES (1, 'Alice'), (3, 'Charlie');

在高并发环境下，事务 T1 和 T2 的操作如下：

sql 复制代码 
-- 事务 T1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE id BETWEEN 1 AND 3;
-- 锁定记录 id=1 和 id=3 及其前后的间隙 (-∞, 1]、(1, 3] 和 (3, +∞)

-- 事务 T2
START TRANSACTION;
INSERT INTO employees (id, name) VALUES (2, 'Bob');
-- 尝试锁定间隙 (1, 3)，但被事务 T1 锁定

-- 事务 T1
INSERT INTO employees (id, name) VALUES (4, 'David');
-- 尝试锁定间隙 (3, +∞)，但被事务 T2 锁定

在上述操作中，T1 和 T2 由于锁粒度较大，互相等待对方释放锁，从而导致死锁。

4.4 解决死锁的方法

  • 合理设计事务：尽量减少事务的执行时间，避免长时间持有锁。
  • 统一锁定顺序：确保不同事务获取锁的顺序一致，避免锁顺序不一致导致的死锁。
  • 分解大事务：将大事务分解为多个小事务，减少锁粒度和锁冲突的概率。
  • 死锁检测和回滚：InnoDB 内置了死锁检测机制，可以自动检测到死锁并回滚其中一个事务。应用程序可以捕获死锁异常并重试操作。

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