MySQL 事务隔离级别和锁

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1. 事务及其特性

数据库事务（简称:事务）是数据库管理系统执行过程中的一个逻辑单位，由一个有限的数据库操作序列构成。事务的使用是数据库管理系统区别文件系统的重要特征之一。

事务拥有四个重要的特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability），人们习惯称之为 ACID 特性。下面我逐一对其进行解释。

1.1 原子性 （Atomicity）

事务开始后所有操作，要么全部做完，要么全部不做，不可能停滞在中间环节。事务执行过程中出错，会回滚到事务开始前的状态，所有的操作就像没有发生一样。例如，如果一个事务需要新增 100 条记录，但是在新增了 10 条记录之后就失败了，那么数据库将回滚对这 10 条新增的记录。也就是说事务是一个不可分割的整体，就像化学中学过的原子，是物质构成的基本单位。

1.2 一致性 （Consistency）

指事务将数据库从一种状态转变为另一种一致的的状态。事务开始前和结束后，数据库的完整性约束没有被破坏。例如工号带有唯一属性，如果经过一个修改工号的事务后，工号变的非唯一了，则表明一致性遭到了破坏。

1.3 隔离性 （Isolation）

要求每个读写事务的对象对其他事务的操作对象能互相分离，即该事务提交前对其他事务不可见。 也可以理解为多个事务并发访问时，事务之间是隔离的，一个事务不应该影响其它事务运行效果。这指的是在并发环境中，当不同的事务同时操纵相同的数据时，每个事务都有各自的完整数据空间。由并发事务所做的修改必须与任何其他并发事务所做的修改隔离。例如一个用户在更新自己的个人信息的同时，是不能看到系统管理员也在更新该用户的个人信息（此时更新事务还未提交）。

注：MySQL 通过锁机制来保证事务的隔离性。

1.4 持久性 （Durability）

事务一旦提交，则其结果就是永久性的。即使发生宕机的故障，数据库也能将数据恢复，也就是说事务完成后，事务对数据库的所有更新将被保存到数据库，不能回滚。这只是从事务本身的角度来保证，排除 RDBMS（关系型数据库管理系统，例如 Oracle、MySQL 等）本身发生的故障。

注：MySQL 使用 redo log 来保证事务的持久性。

2. 事务的隔离级别

SQL 标准定义的四种隔离级别被 ANSI（美国国家标准学会）和 ISO/IEC（国际标准）采用，每种级别对事务的处理能力会有不同程度的影响。

我们分别对四种隔离级别从并发程度由高到低进行描述，并用代码进行演示，数据库环境为 MySQL 5.7。

2.1 READ UNCOMMITTED（读未提交）

该隔离级别的事务会读到其它未提交事务的数据，此现象也称之为 脏读 。

  1. 准备两个终端，在此命名为 mysql 终端 1 和 mysql 终端 2，再准备一张测试表 test ，写入一条测试数据并调整隔离级别为 READ UNCOMMITTED ，任意一个终端执行即可。

    SET @@session.transaction_isolation = 'READ-UNCOMMITTED';
create database test;
use test;
create table test(id int primary key);
insert into test(id) values(1);

  2. 登录 mysql 终端 1，开启一个事务，将 ID 为 1 的记录更新为 2 。

    begin;
update test set id = 2 where id = 1;
select * from test; -- 此时看到一条ID为2的记录

  3. 登录 mysql 终端 2，开启一个事务后查看表中的数据。

    use test;
begin;
select * from test; -- 此时看到一条 ID 为 2 的记录

最后一步读取到了 mysql 终端 1 中未提交的事务（没有 commit 提交动作），即产生了 脏读 ，大部分业务场景都不允许脏读出现，但是此隔离级别下数据库的并发是最好的。

2.2 READ COMMITTED（读提交）

一个事务可以读取另一个已提交的事务，多次读取会造成不一样的结果，此现象称为不可重复读问题，Oracle 和 SQL Server 的默认隔离级别。

  1. 准备两个终端，在此命名为 mysql 终端 1 和 mysql 终端 2，再准备一张测试表 test ，写入一条测试数据并调整隔离级别为 READ COMMITTED ，任意一个终端执行即可。

    SET @@session.transaction_isolation = 'READ-COMMITTED';
create database test;
use test;
create table test(id int primary key);
insert into test(id) values(1);

  2. 登录 mysql 终端 1，开启一个事务，将 ID 为 1 的记录更新为 2 ，并确认记录数变更过来。

    begin;
update test set id = 2 where id = 1;
select * from test; -- 此时看到一条记录为 2

  3. 登录 mysql 终端 2，开启一个事务后，查看表中的数据。

    use test;
begin;
select * from test; -- 此时看一条 ID 为 1 的记录

  4. 登录 mysql 终端 1，提交事务。

    commit;

  5. 切换到 mysql 终端 2。

    select * from test; -- 此时看到一条 ID 为 2 的记录

mysql 终端 2 在开启了一个事务之后，在第一次读取 test 表（此时 mysql 终端 1 的事务还未提交）时 ID 为 1 ，在第二次读取 test 表（此时 mysql 终端 1 的事务已经提交）时 ID 已经变为 2 ，说明在此隔离级别下已经读取到已提交的事务。

2.3 REPEATABLE READ（可重复读）

该隔离级别是 MySQL 默认的隔离级别，在同一个事务里， select 的结果是事务开始时时间点的状态，因此，同样的 select 操作读到的结果会是一致的，但是，会有 幻读 现象。MySQL 的 InnoDB 引擎可以通过 next-key locks 机制（参考下文 行锁的算法 一节）来避免幻读。

  1. 准备两个终端，在此命名为 mysql 终端 1 和 mysql 终端 2，准备一张测试表 test 并调整隔离级别为 REPEATABLE READ ，任意一个终端执行即可。

    SET @@session.transaction_isolation = 'REPEATABLE-READ';
create database test;
use test;
create table test(id int primary key,name varchar(20));

  2. 登录 mysql 终端 1，开启一个事务。

    begin;
select * from test; -- 无记录

  3. 登录 mysql 终端 2，开启一个事务。

    begin;
select * from test; -- 无记录

  4. 切换到 mysql 终端 1，增加一条记录并提交。

    insert into test(id,name) values(1,'a');
commit;

  5. 切换到 msyql 终端 2。

    select * from test; --此时查询还是无记录

    通过这一步可以证明，在该隔离级别下已经读取不到别的已提交的事务，如果想看到 mysql 终端 1 提交的事务，在 mysql 终端 2 将当前事务提交后再次查询就可以读取到 mysql 终端 1 提交的事务。我们接着实验，看看在该隔离级别下是否会存在别的问题。

  6. 此时接着在 mysql 终端 2 插入一条数据。

    insert into test(id,name) values(1,'b'); -- 此时报主键冲突的错误

也许到这里您心里可能会有疑问，明明在第 5 步没有数据，为什么在这里会报错呢？其实这就是该隔离级别下可能产生的问题，MySQL 称之为 幻读 。注意我在这里强调的是 MySQL 数据库，Oracle 数据库对于幻读的定义可能有所不同。

2.4 SERIALIZABLE（序列化）

在该隔离级别下事务都是串行顺序执行的，MySQL 数据库的 InnoDB 引擎会给读操作隐式加一把读共享锁，从而避免了脏读、不可重读复读和幻读问题。

  1. 准备两个终端，在此命名为 mysql 终端 1 和 mysql 终端 2，分别登入 mysql，准备一张测试表 test 并调整隔离级别为 SERIALIZABLE ，任意一个终端执行即可。

    SET @@session.transaction_isolation = 'SERIALIZABLE';
create database test;
use test;
create table test(id int primary key);

  2. 登录 mysql 终端 1，开启一个事务，并写入一条数据。

    begin;
insert into test(id) values(1);

  3. 登录 mysql 终端 2，开启一个事务。

    begin;
select * from test; -- 此时会一直卡住

  4. 立马切换到 mysql 终端 1,提交事务。

    commit;

一旦事务提交，msyql 终端 2 会立马返回 ID 为 1 的记录，否则会一直卡住，直到超时，其中超时参数是由 innodb_lock_wait_timeout 控制。由于每条 select 语句都会加锁，所以该隔离级别的数据库并发能力最弱，但是有些资料表明该结论也不一定对，如果感兴趣，您可以自行做个压力测试。

表 1 总结了各个隔离级别下产生的一些问题。

表 1. 各个隔离级别下产生的一些问题

隔离级别

脏读

不可重复读

幻读

读未提交

可以出现

可以出现

可以出现

读提交

不允许出现

可以出现

可以出现

可重复读

不允许出现

不允许出现

可以出现

序列化

不允许出现

不允许出现

不允许出现

3. MySQL 中的锁

锁也是数据库管理系统区别文件系统的重要特征之一。锁机制使得在对数据库进行并发访问时，可以保障数据的完整性和一致性。对于锁的实现，各个数据库厂商的实现方法都会有所不同。本文讨论 MySQL 中的 InnoDB 引擎的锁。

3.1 锁的类型

InnoDB 实现了两种类型的行级锁：

  • 共享锁 （也称为 S 锁）：允许事务读取一行数据。

    可以使用 SQL 语句 select * from tableName where... lock in share mode; 手动加 S 锁。

  • 独占锁 （也称为 X 锁）：允许事务删除或更新一行数据。

    可以使用 SQL 语句 select * from tableName where... for update; 手动加 X 锁。

S 锁和 S 锁是 兼容 的，X 锁和其它锁都 不兼容 ，举个例子，事务 T1 获取了一个行 r1 的 S 锁，另外事务 T2 可以立即获得行 r1 的 S 锁，此时 T1 和 T2 共同获得行 r1 的 S 锁，此种情况称为 锁兼容 ，但是另外一个事务 T2 此时如果想获得行 r1 的 X 锁，则必须等待 T1 对行 r 锁的释放，此种情况也成为 锁冲突 。

为了实现多粒度的锁机制，InnoDB 还有两种内部使用的 意向锁 ，由 InnoDB 自动添加，且都是表级别的锁。

  • 意向共享锁 （IS）：事务即将给表中的各个行设置共享锁，事务给数据行加 S 锁前必须获得该表的 IS 锁。

  • 意向排他锁 （IX）：事务即将给表中的各个行设置排他锁，事务给数据行加 X 锁前必须获得该表 IX 锁。

意向锁的主要目的是为了使得 行锁 和 表锁 共存。表 2 列出了行级锁和表级意向锁的兼容性。

表 2. 行级锁和表级意向锁的兼容性

锁类型

X

IX

S

IS

X

冲突

冲突

冲突

冲突

IX

冲突

兼容

冲突

兼容

S

冲突

冲突

兼容

兼容

IS

冲突

兼容

兼容

兼容

3.2 行锁的算法

InnoDB 存储引擎使用三种行锁的算法用来满足相关事务隔离级别的要求。

  • Record Locks

    该锁为索引记录上的锁，如果表中没有定义索引，InnoDB 会默认为该表创建一个隐藏的聚簇索引，并使用该索引锁定记录。

  • Gap Locks

    该锁会锁定一个范围，但是不括记录本身。可以通过修改隔离级别为 READ COMMITTED 或者配置 innodb_locks_unsafe_for_binlog 参数为 ON 。

  • Next-key Locks

    该锁就是 Record Locks 和 Gap Locks 的组合，即锁定一个范围并且锁定该记录本身。InnoDB 使用 Next-key Locks 解决幻读问题。需要注意的是，如果索引有唯一属性，则 InnnoDB 会自动将 Next-key Locks 降级为 Record Locks。举个例子，如果一个索引有 1, 3, 5 三个值，则该索引锁定的区间为 (-∞,1], (1,3], (3,5], (5,+ ∞) 。

3.3 死锁

死锁 是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

InnoDB 引擎采取的是 wait-for graph 等待图的方法来自动检测死锁，如果发现死锁会自动回滚一个事务。

下面我们通过一个示例来了解死锁。

  1. 准备两个终端，在此命名为 mysql 终端 1 和 mysql 终端 2，分别登入 mysql，再准备一张测试表 test 写入两条测试数据，并调整隔离级别为 SERIALIZABLE ，任意一个终端执行即可。

    SET @@session.transaction_isolation = 'REPEATABLE-READ';
create database test;
use test;
create table test(id int primary key);
insert into test(id) values(1),(2);

  2. 登录 mysql 终端 1，开启一个事务，手动给 ID 为 1 的记录加 X 锁。

    begin;
select * from test where id = 1 for update;

  3. 登录 mysql 终端 2，开启一个事务，手动给 ID 为 2 的记录加 X 锁。

    begin;
select * from test where id = 2 for update;

  4. 切换到 mysql 终端 1，手动给 ID 为 2 的记录加 X 锁，此时会一直卡住，因为此时在等待第 3 步中 X 锁的释放，直到超时，超时时间由 innodb_lock_wait_timeout 控制。

    select * from test where id = 2 for update;

  5. 在锁超时前立刻切换到 mysql 终端 2，手动给 ID 为 1 的记录加 X 锁，此时又会等待第 2 步中 X 所的释放，两个终端都在等待资源的释放，所以 InnoDB 引擎会立马检测到死锁产生，自动回滚一个事务，以防止死锁一直占用资源。

    select * from test where id = 1 for update;
ERROR 1213 (40001): Deadlock found when trying to get lock; try restarting transaction

此时，通过 show engine innodb status\G 命令可以看到 LATEST DETECTED DEADLOCK 相关信息，即表明有死锁发生；或者通过配置 innodb_print_all_deadlocks （MySQL 5.6.2 版本开始提供）参数为 ON 将死锁相关信息打印到 MySQL 的错误日志。

3.4 锁的优化建议

锁如果利用不好，会给业务造成大量的卡顿现象，在了解了锁相关的一些知识点后，我们可以有意识的去避免锁带来的一些问题。

  1. 合理设计索引，让 InnoDB 在索引键上面加锁的时候尽可能准确，尽可能的缩小锁定范围，避免造成不必要的锁定而影响其他 Query 的执行。

  2. 尽可能减少基于范围的数据检索过滤条件，避免因为间隙锁带来的负面影响而锁定了不该锁定的记录。

  3. 尽量控制事务的大小，减少锁定的资源量和锁定时间长度。

  4. 在业务环境允许的情况下，尽量使用较低级别的事务隔离，以减少 MySQL 因为实现事务隔离级别所带来的附加成本。

4. 结束语

通过阅读本文，可以让您对数据库的事务还有事务的隔离级别有个基本的了解，同时也介绍了 MySQL 中 InnoDB 引擎中一些锁相关的知识，从而可以让您利用关系型数据库系统设计一个更为健壮的业务模型。

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