【数据库】数据库的锁机制及原理

比眉伴天荒 2022-05-30 08:52 195阅读 0赞

数据库的锁机制，今天彻底理清楚。文章中有参考整理其他一些有价值的博客以及mysql官方文档的内容，如有侵权请联系删除。

## 数据库锁 ##

先看一张图自己整理的数据库锁的树形图

![Screenshot1520500121.png][]

> #### 概要 ####
> 
> 数据库锁一般可以分为两类，一个是悲观锁，一个是乐观锁。
> 
>  *  乐观锁一般是指用户自己实现的一种锁机制，假设认为数据一般情况下不会造成冲突，所以在数据进行提交更新的时候，才会正式对数据的冲突与否进行检测，如果发现冲突了，则让返回用户错误的信息，让用户决定如何去做。乐观锁的实现方式一般包括使用版本号和时间戳。
>  *  悲观锁一般就是我们通常说的数据库锁机制，以下讨论都是基于悲观锁。
>     
>     悲观锁主要表锁、行锁、页锁。在MyISAM中只用到表锁，不会有死锁的问题，锁的开销也很小，但是相应的并发能力很差。innodb实现了行级锁和表锁，锁的粒度变小了，并发能力变强，但是相应的锁的开销变大，很有可能出现死锁。同时inodb需要协调这两种锁，算法也变得复杂。InnoDB行锁是通过给索引上的索引项加锁来实现的，只有通过索引条件检索数据，InnoDB才使用行级锁，否则，InnoDB将使用表锁。
>     
>     表锁和行锁都分为共享锁和排他锁（独占锁），而更新锁是为了解决行锁升级（共享锁升级为独占锁）的死锁问题。
>     
>     innodb中表锁和行锁一起用，所以为了提高效率才会有意向锁（意向共享锁和意向排他锁）。

### 为了表锁和行锁而存在的意向锁 ###

官方文档中是这么描述的，

> Intention locks are table-level locks that indicate which type of lock (shared or exclusive) a transaction requires later for a row in a table

[知乎上有个解释][Link 1]十分形象，如下：

1.  在mysql中有表锁，读锁锁表，会阻塞其他事务修改表数据。写锁锁表，会阻塞其他事务读和写。
2.  Innodb引擎又支持行锁，行锁分为共享锁，一个事务对一行的共享只读锁。排它锁，一个事务对一行的排他读写锁。
3.  这两中类型的锁共存的问题考虑这个例子：事务A锁住了表中的一行，让这一行只能读，不能写。之后，事务B申请整个表的写锁。如果事务B申请成功，那么理论上它就能修改表中的任意一行，这与A持有的行锁是冲突的。数据库需要避免这种冲突，就是说要让B的申请被阻塞，直到A释放了行锁。

数据库要怎么判断这个冲突呢？

*  step1：判断表是否已被其他事务用表锁锁表
 *  step2：判断表中的每一行是否已被行锁锁住。

注意step2，这样的判断方法效率实在不高，因为需要遍历整个表。于是就有了意向锁。在意向锁存在的情况下，事务A必须先申请表的意向共享锁，成功后再申请一行的行锁。

在意向锁存在的情况下，上面的判断可以改成

*  step1：不变
 *  step2：发现表上有意向共享锁，说明表中有些行被共享行锁锁住了，因此，事务B申请表的写锁会被阻塞。

注意：申请意向锁的动作是数据库完成的，就是说，事务A申请一行的行锁的时候，数据库会自动先开始申请表的意向锁，不需要我们程序员使用代码来申请。

### 行锁的细分 ###

*  #### 共享锁 ####
    
    1.  加锁与解锁：当一个事务执行select语句时，数据库系统会为这个事务分配一把共享锁，来锁定被查询的数据。在默认情况下，数据被读取后，数据库系统立即解除共享锁。例如，当一个事务执行查询“SELECT \* FROM accounts”语句时，数据库系统首先锁定第一行，读取之后，解除对第一行的锁定，然后锁定第二行。这样，在一个事务读操作过程中，允许其他事务同时更新accounts表中未锁定的行。
    2.  兼容性：如果数据资源上放置了共享锁，还能再放置共享锁和更新锁。
    3.  并发性能：具有良好的并发性能，当数据被放置共享锁后，还可以再放置共享锁或更新锁。所以并发性能很好。
 *  #### 排他锁 ####
    
    1.  加锁与解锁：当一个事务执行insert、update或delete语句时，数据库系统会自动对SQL语句操纵的数据资源使用独占锁。如果该数据资源已经有其他锁（任何锁）存在时，就无法对其再放置独占锁了。
    2.  兼容性：独占锁不能和其他锁兼容，如果数据资源上已经加了独占锁，就不能再放置其他的锁了。同样，如果数据资源上已经放置了其他锁，那么也就不能再放置独占锁了。
    3.  并发性能：最差。只允许一个事务访问锁定的数据，如果其他事务也需要访问该数据，就必须等待。
 *  #### 更新锁 ####
    
    更新锁在的初始化阶段用来锁定可能要被修改的资源，这可以避免使用共享锁造成的死锁现象。例如，对于以下的update语句：
    
    UPDATE accounts SET balance=900 WHERE id=1
    
    更新操作需要分两步：读取accounts表中id为1的记录 –> 执行更新操作。
    
    如果在第一步使用共享锁，再第二步把锁升级为独占锁，就可能出现死锁现象。例如：两个事务都获取了同一数据资源的共享锁，然后都要把锁升级为独占锁，但需要等待另一个事务解除共享锁才能升级为独占锁，这就造成了死锁。
    
    更新锁有如下特征：
    
    1.  加锁与解锁：当一个事务执行update语句时，数据库系统会先为事务分配一把更新锁。当读取数据完毕，执行更新操作时，会把更新锁升级为独占锁。
    2.  兼容性：更新锁与共享锁是兼容的，也就是说，一个资源可以同时放置更新锁和共享锁，但是最多放置一把更新锁。这样，当多个事务更新相同的数据时，只有一个事务能获得更新锁，然后再把更新锁升级为独占锁，其他事务必须等到前一个事务结束后，才能获取得更新锁，这就避免了死锁。
    3.  并发性能：允许多个事务同时读锁定的资源，但不允许其他事务修改它。

## 数据库隔离级别 ##

了解了数据的锁机制，数据库的隔离级别也就好理解多了。每一种隔离级别满足不同的数据要求，使用不同程度的锁。

Read Uncommitted，读写均不使用锁，数据的一致性最差，也会出现许多逻辑错误。

Read Committed，使用写锁，但是读会出现不一致，不可重复读。

Repeatable Read, 使用读锁和写锁，解决不可重复读的问题，但会有幻读。

Serializable, 使用事务串形化调度，避免出现因为插入数据没法加锁导致的不一致的情况。

*  ### 读不提交，造成脏读(Read Uncommitted) ###
    
    一个事务中的读操作可能读到另一个事务中未提交修改的数据，如果事务发生回滚就可能造成错误。
    
    例子：A打100块给B，B看账户，这是两个操作，针对同一个数据库，两个事物，如果B读到了A事务中的100块，认为钱打过来了，但是A的事务最后回滚了，造成损失。
    
    **避免这些事情的发生就需要我们在写操作的时候加锁，使读写分离，保证读数据的时候，数据不被修改，写数据的时候，数据不被读取。从而保证写的同时不能被另个事务写和读。**
 *  ### 读提交(Read Committed) ###
    
    我们加了写锁，就可以保证不出现脏读，也就是保证读的都是提交之后的数据，但是会造成不可重读，即读的时候不加锁，一个读的事务过程中，如果读取数据两次，在两次之间有写事务修改了数据，将会导致两次读取的结果不一致，从而导致逻辑错误。
 *  ### 可重读(Repeatable Read） ###
    
    解决不可重复读问题，一个事务中如果有多次读取操作，读取结果需要一致（指的是固定一条数据的一致，幻读指的是查询出的数量不一致）。 这就牵涉到事务中是否加读锁，并且读操作加锁后是否在事务commit之前持有锁的问题，如果不加读锁，必然出现不可重复读，如果加锁读完立即释放，不持有，那么就可能在其他事务中被修改，若其他事务已经执行完成，此时该事务中再次读取就会出现不可重复读，
    
    **所以读锁在事务中持有可以保证不出现不可重复读，写的时候必须加锁且持有，这是必须的了，不然就会出现脏读。Repeatable Read（可重读）也是MySql的默认事务隔离级别，上面的意思是读的时候需要加锁并且保持**
 *  ### 可串行化（Serializable） ###
    
    解决幻读问题，在同一个事务中，同一个查询多次返回的结果不一致。事务A新增了一条记录，事务B在事务A提交前后各执行了一次查询操作，发现后一次比前一次多了一条记录。幻读是由于并发事务增加记录导致的，这个不能像不可重复读通过记录加锁解决，因为对于新增的记录根本无法加锁。需要将事务串行化，才能避免幻读。  
    **这是最高的隔离级别，它通过强制事务排序，使之不可能相互冲突，从而解决幻读问题。简言之，它是在每个读的数据行上加上共享锁。在这个级别，可能导致大量的超时现象和锁竞争**

> 参考文献： [https://www.cnblogs.com/luyucheng/p/6297752.html][https_www.cnblogs.com_luyucheng_p_6297752.html]  
> [https://www.zhihu.com/question/51513268][Link 1]  
> [https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking.html][https_dev.mysql.com_doc_refman_5.7_en_innodb-locking.html]

[Screenshot1520500121.png]: /images/20220530/32a34b1392c0473eaaca391dd7e3a908.png
[Link 1]: https://www.zhihu.com/question/51513268
[https_www.cnblogs.com_luyucheng_p_6297752.html]: https://www.cnblogs.com/luyucheng/p/6297752.html
[https_dev.mysql.com_doc_refman_5.7_en_innodb-locking.html]: https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-locking.html