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MySQL高级讲座篇之：揭秘幻读与间隙锁：`Next-Key Lock`在事务并发控制中的关键作用。

各位观众老爷，大家好！今天咱们来聊聊MySQL并发控制里头一个挺有意思，但有时候又让人摸不着头脑的东西——幻读，以及解决它的秘密武器：Next-Key Lock。准备好了吗？咱们开始！

一、幻读是个什么鬼？

要说幻读，得先回顾一下我们熟悉的“脏读”、“不可重复读”。这仨兄弟都属于事务隔离级别没设置好导致的并发问题。

  • 脏读 (Dirty Read): 事务A读到了事务B还没提交的数据，结果事务B回滚了，A读到的就是“脏”数据。就像你偷看了别人的草稿，结果人家把草稿撕了，你看到的就没意义了。

  • 不可重复读 (Non-Repeatable Read): 事务A前后两次读取同一条记录，结果发现数据被事务B修改了，两次读到的值不一样。就像你昨天看到李四穿了件红衣服，今天一看，变成绿的了。

而幻读 (Phantom Read)，更“玄乎”一点。它指的是在同一事务中，使用相同的查询条件，多次读取，却发现前后两次读到的记录数量不一样。 注意是记录数量的变化，而不是单条记录内容的变化。

举个例子：

假设我们有个 products 表，长这样：

CREATE TABLE products (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(255),
    price DECIMAL(10, 2)
);

INSERT INTO products (name, price) VALUES
('iPhone 13', 799.00),
('Samsung Galaxy S22', 749.00);

现在，有两个事务：

  • 事务A: 想统计价格低于 800 的产品数量。
  • 事务B: 往 products 表里插入一个新产品，价格低于 800。

来看看如果隔离级别是 READ COMMITTED 会发生什么：

  1. 事务A 开始，执行 SELECT COUNT(*) FROM products WHERE price < 800;，得到结果 2。
  2. 事务B 开始，插入一条新记录： INSERT INTO products (name, price) VALUES ('Xiaomi 12', 699.00);，然后提交事务。
  3. 事务A 再次执行 SELECT COUNT(*) FROM products WHERE price < 800;，这次得到结果 3！

事务A两次执行相同的查询，结果数量却不一样了，好像看到了“幻影”一样，这就是幻读。

二、幻读的危害

幻读听起来好像没啥大不了的，但有些场景下，它会造成严重的数据不一致性。

比如，假设一个电商平台，需要保证库存数量不能为负数。当多个事务并发修改库存时，可能会发生以下情况：

  1. 事务A: 查询商品 X 的库存数量为 10。
  2. 事务B: 也查询商品 X 的库存数量为 10。
  3. 事务C: 插入一条新的订单记录，购买商品 X 5 件。
  4. 事务A: 认为库存足够，更新库存为 5。
  5. 事务B: 也认为库存足够，更新库存为 5。

结果，商品 X 的实际库存变成了 0，但数据库里却是 5！这就是幻读带来的问题，事务A和B在更新库存时，没有考虑到事务C插入的新订单记录。

三、锁，锁，锁！解决并发问题的万能钥匙

要解决幻读，就要用到锁。MySQL 提供了多种锁，但能有效解决幻读的，是 间隙锁 (Gap Lock) 和 Next-Key Lock。

先来了解一下间隙锁。

  • 间隙锁 (Gap Lock): 锁定一个范围，但不包括范围本身的记录。就像在你家门口拉了一条警戒线，不让你进门，但房子本身还是你的。

比如，我们执行 SELECT * FROM products WHERE price BETWEEN 700 AND 750 FOR UPDATE;，就会在 (700, 749.99) 这个区间加上间隙锁，其他事务不能在这个区间插入新的记录。

但是，间隙锁本身不能完全解决幻读问题。因为一个事务持有间隙锁，并不阻止另一个事务在锁定的间隙中插入记录，只要插入的记录不在锁定的区间内就行。

四、Next-Key Lock：终极解决方案

Next-Key Lock 是 MySQL InnoDB 存储引擎为了解决幻读问题引入的。它其实是 记录锁 (Record Lock) 和 间隙锁 (Gap Lock) 的组合。

  • 记录锁 (Record Lock): 锁定一条具体的记录。就像给你的房子上了锁，别人进不来也出不去。
  • Next-Key Lock: 锁定一条记录，并且锁定该记录之前的间隙。就像给你的房子上了锁，还把门口的路也堵死了。

举个例子，假设 products 表里的 price 列有以下值：10, 20, 30, 40, 50。

当我们执行 SELECT * FROM products WHERE price > 20 FOR UPDATE; 时，会发生以下情况：

  1. 对 price = 30 的记录加上记录锁。
  2. 对 (20, 30) 这个区间加上间隙锁。
  3. 对 price = 40 的记录加上记录锁。
  4. 对 (30, 40) 这个区间加上间隙锁。
  5. 对 price = 50 的记录加上记录锁。
  6. 对 (40, +∞) 这个区间加上间隙锁。

这样，其他事务就不能在 price > 20 的范围内插入新的记录了，从而避免了幻读。

五、Next-Key Lock 的工作原理

Next-Key Lock 的工作原理可以概括为：

  1. 锁定查询范围内的所有记录。
  2. 锁定查询范围内的所有间隙。
  3. 锁定查询范围之外，但与查询范围相邻的间隙。

为什么要锁定查询范围之外的间隙呢？这是为了防止以下情况发生：

  • 事务A查询 price > 20 的记录。
  • 事务B插入一条 price = 20.5 的记录。
  • 事务A再次查询 price > 20 的记录，发现多了一条记录。

通过锁定 (20, 30) 这个间隙，就可以防止事务B插入 price = 20.5 的记录，从而避免幻读。

六、Next-Key Lock 的使用场景

Next-Key Lock 主要用于以下场景：

  • 防止幻读： 这是它的主要目的，保证事务在可重复读的隔离级别下，不会出现幻读现象。
  • 保证数据一致性： 在需要严格保证数据一致性的场景下，比如金融系统、库存系统等，可以使用 Next-Key Lock 来避免并发问题。

七、代码示例：演示 Next-Key Lock 的作用

为了更直观地理解 Next-Key Lock 的作用，我们来写一段代码演示一下。

首先，设置事务隔离级别为 REPEATABLE READ：

SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;

然后，创建 products 表，并插入一些数据：

CREATE TABLE products (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(255),
    price DECIMAL(10, 2)
);

INSERT INTO products (name, price) VALUES
('iPhone 13', 799.00),
('Samsung Galaxy S22', 749.00),
('Google Pixel 6', 699.00);

接下来，我们开启两个事务：

事务A：

START TRANSACTION;
SELECT * FROM products WHERE price > 700 FOR UPDATE;
-- 此时事务A会持有记录锁和间隙锁，锁定 price > 700 的范围
-- 事务A 在这里等待一段时间，模拟业务处理
SELECT * FROM products WHERE price > 700 FOR UPDATE;
COMMIT;

事务B：

START TRANSACTION;
INSERT INTO products (name, price) VALUES ('OnePlus 9', 720.00);
COMMIT;

执行顺序：

  1. 先执行事务A的第一条语句，会锁定 price > 700 的记录和间隙。
  2. 然后执行事务B的第一条语句，会发现无法插入新的记录，因为 (700, 749.00) 这个间隙被事务A锁定了。事务B会阻塞，直到事务A提交或回滚。
  3. 事务A等待一段时间后，再次执行相同的查询，发现结果没有变化，没有出现幻读。
  4. 事务A提交事务，释放锁。
  5. 事务B解除阻塞，成功插入新的记录。

这个例子说明，Next-Key Lock 可以有效地防止幻读，保证事务在可重复读的隔离级别下，能够看到一致的数据。

八、Next-Key Lock 的缺点

Next-Key Lock 虽然可以解决幻读问题，但也带来了一些缺点：

  • 降低并发性能： 由于 Next-Key Lock 会锁定范围内的所有记录和间隙，因此会增加锁冲突的可能性，降低并发性能。
  • 死锁风险： 如果多个事务相互持有对方需要的锁，就可能发生死锁。

因此，在使用 Next-Key Lock 时，需要权衡利弊，根据实际情况选择合适的隔离级别和锁策略。

九、总结与建议

Next-Key Lock 是 MySQL InnoDB 存储引擎为了解决幻读问题引入的一种锁机制。它是记录锁和间隙锁的组合，可以有效地防止幻读，保证事务在可重复读的隔离级别下，能够看到一致的数据。

但是，Next-Key Lock 也会降低并发性能，增加死锁风险。因此，在使用 Next-Key Lock 时，需要权衡利弊，根据实际情况选择合适的隔离级别和锁策略。

以下是一些建议：

  • 理解事务隔离级别： 深入理解 MySQL 的四种事务隔离级别，选择合适的隔离级别。
  • 尽量减少锁的范围： 尽量缩小锁的范围，减少锁冲突的可能性。
  • 避免长事务： 尽量避免长时间运行的事务，减少锁的持有时间。
  • 使用合理的索引： 使用合理的索引可以减少扫描的记录数量，从而减少锁的范围。
  • 监控死锁： 监控数据库的死锁情况，及时发现和解决死锁问题。

十、思考题

  1. 除了 Next-Key Lock，还有没有其他方法可以解决幻读问题？
  2. 在哪些场景下，可以考虑使用 READ COMMITTED 隔离级别，而不是 REPEATABLE READ？
  3. 如何避免死锁？

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获，下次再见！

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