MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Deadlock`：其在事务中的检测与处理机制。

MySQL InnoDB 存储引擎：Deadlock 检测与处理机制

各位开发者朋友们，大家好。今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的一个关键概念：死锁 (Deadlock)。死锁是并发数据库系统中的一个常见问题，理解其产生原因、检测机制以及处理方法对于构建高性能、可靠的应用程序至关重要。

1. 什么是死锁？

在多线程或多进程并发访问共享资源时，如果多个事务分别持有部分资源，并且都在等待对方释放自己需要的资源，从而导致所有事务都无法继续执行，这种状态就称为死锁。简单来说，就像两个人在一条只能容纳一人的小路上相遇，谁也不肯让路，最终谁也过不去。

在数据库中，资源通常是指表中的行、索引、锁等。死锁发生时，数据库系统会陷入僵局，导致请求阻塞，影响整体性能。

2. 死锁产生的四个必要条件

死锁的发生需要满足以下四个必要条件，即 Coffman 条件：

• 互斥条件 (Mutual Exclusion): 资源必须处于独占状态，即一次只能有一个事务持有。
• 持有并等待条件 (Hold and Wait): 事务已经持有一个资源，但又请求新的资源，并且在等待新资源释放的过程中，不释放已持有的资源。
• 非剥夺条件 (No Preemption): 事务已经获得的资源，在未使用完毕之前，不能被强制剥夺。
• 循环等待条件 (Circular Wait): 存在一个事务集合 {T1, T2, …, Tn}，其中 T1 等待 T2 持有的资源，T2 等待 T3 持有的资源，依此类推，直到 Tn 等待 T1 持有的资源，形成一个环路。

只有当这四个条件同时满足时，才会发生死锁。破坏其中任何一个条件，就可以避免死锁的发生。

3. InnoDB 中的锁机制与死锁

InnoDB 存储引擎使用多种类型的锁来保证数据的一致性和并发性。理解这些锁对于理解死锁至关重要。

• 共享锁 (Shared Lock, S Lock): 允许持有锁的事务读取数据。多个事务可以同时持有同一个资源的共享锁。
• 排他锁 (Exclusive Lock, X Lock): 允许持有锁的事务修改数据。只有一个事务可以持有同一个资源的排他锁。
• 意向共享锁 (Intention Shared Lock, IS Lock): 表级别的锁，表示事务打算在表中的某些行上加共享锁。
• 意向排他锁 (Intention Exclusive Lock, IX Lock): 表级别的锁，表示事务打算在表中的某些行上加排他锁。

这些锁之间存在兼容性关系，如下表所示：

	X	S	IX	IS
X	No	No	No	No
S	No	Yes	No	Yes
IX	No	No	Yes	Yes
IS	No	Yes	Yes	Yes

当两个或多个事务试图获取相互冲突的锁时，就可能发生死锁。

4. 死锁的例子与代码演示

假设我们有两个事务，分别执行以下操作：

事务 1:

START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = price * 1.1 WHERE id = 1;
UPDATE products SET quantity = quantity - 1 WHERE id = 2;
COMMIT;

事务 2:

START TRANSACTION;
UPDATE products SET quantity = quantity - 1 WHERE id = 2;
UPDATE products SET price = price * 1.1 WHERE id = 1;
COMMIT;

如果两个事务几乎同时执行，并且事务 1 先获得了 products 表中 id = 1 这一行的排他锁，事务 2 先获得了 products 表中 id = 2 这一行的排他锁，那么就会发生死锁。事务 1 在等待事务 2 释放 id = 2 这一行的锁，而事务 2 也在等待事务 1 释放 id = 1 这一行的锁。

可以使用如下代码模拟死锁：

import mysql.connector
import threading

# 数据库配置
config = {
    'user': 'your_user',
    'password': 'your_password',
    'host': 'localhost',
    'database': 'your_database',
    'raise_on_warnings': True
}

def transaction1():
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        print("Transaction 1: Starting...")
        cursor.execute("START TRANSACTION;")
        print("Transaction 1: Updating product with id = 1...")
        cursor.execute("UPDATE products SET price = price * 1.1 WHERE id = 1;")
        cnx.commit() #注释掉COMMIT，模拟持有锁但不释放
        print("Transaction 1: Updated product with id = 1.")

        import time
        time.sleep(1) # 模拟一些操作，让事务2有机会获得锁

        print("Transaction 1: Updating product with id = 2...")
        cursor.execute("UPDATE products SET quantity = quantity - 1 WHERE id = 2;")
        cnx.commit()
        print("Transaction 1: Updated product with id = 2.")
        print("Transaction 1: Committing...")
        cnx.commit()
        print("Transaction 1: Committed.")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Transaction 1 failed: {err}")
        cnx.rollback()
    finally:
        if cnx:
            cursor.close()
            cnx.close()

def transaction2():
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        print("Transaction 2: Starting...")
        cursor.execute("START TRANSACTION;")
        print("Transaction 2: Updating product with id = 2...")
        cursor.execute("UPDATE products SET quantity = quantity - 1 WHERE id = 2;")
        cnx.commit() #注释掉COMMIT，模拟持有锁但不释放
        print("Transaction 2: Updated product with id = 2.")

        import time
        time.sleep(1)  # 模拟一些操作，让事务1有机会获得锁

        print("Transaction 2: Updating product with id = 1...")
        cursor.execute("UPDATE products SET price = price * 1.1 WHERE id = 1;")
        cnx.commit()
        print("Transaction 2: Updated product with id = 1.")
        print("Transaction 2: Committing...")
        cnx.commit()
        print("Transaction 2: Committed.")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Transaction 2 failed: {err}")
        cnx.rollback()
    finally:
        if cnx:
            cursor.close()
            cnx.close()

# 创建并启动线程
t1 = threading.Thread(target=transaction1)
t2 = threading.Thread(target=transaction2)

t1.start()
t2.start()

t1.join()
t2.join()

print("Done!")

注意： 在运行此代码之前，请确保：

• 您已安装 mysql-connector-python 库 (pip install mysql-connector-python)。
• 您已创建了名为 your_database 的数据库，并在其中创建了名为 products 的表，包含 id, price, quantity 字段。
• 您已将 your_user 和 your_password 替换为您的 MySQL 用户名和密码。
• products 表至少包含两行数据，id分别为1和2。

如果发生死锁，您将在控制台中看到类似以下的错误信息：

Transaction 1 failed: 1213 (40001): Deadlock found when trying to get lock; try restarting transaction
Transaction 2: Starting...
Transaction 2: Updating product with id = 2...
Transaction 2: Updated product with id = 2.
Transaction 2: Updating product with id = 1...

这表明数据库检测到了死锁，并自动回滚了其中一个事务（在本例中是事务 1）。

5. InnoDB 的死锁检测机制

InnoDB 存储引擎具有自动死锁检测机制。当检测到死锁时，InnoDB 会选择一个事务作为牺牲品 (victim)，并回滚该事务，以解除死锁。选择哪个事务作为牺牲品是由 InnoDB 的死锁检测算法决定的，通常会选择回滚代价最小的事务。

InnoDB 使用等待图 (wait-for graph) 来检测死锁。等待图是一个有向图，其中节点表示事务，边表示事务之间的等待关系。如果等待图中存在环路，则表示存在死锁。

InnoDB 会定期扫描等待图，检测是否存在环路。可以通过以下 MySQL 系统变量来控制死锁检测的行为：

• innodb_deadlock_detect: 启用或禁用死锁检测。默认值为 ON。
• innodb_lock_wait_timeout: 事务等待锁释放的最长时间 (秒)。如果超过该时间，InnoDB 会尝试回滚事务。默认值为 50 秒。

可以通过执行以下 SQL 语句查看当前死锁信息：

SHOW ENGINE INNODB STATUS;

该语句会显示 InnoDB 的状态信息，包括最近发生的死锁信息，例如涉及的事务 ID、锁信息、SQL 语句等。

6. 死锁的处理策略

面对死锁，我们可以采取以下几种处理策略：

• 死锁预防 (Deadlock Prevention): 通过破坏死锁产生的四个必要条件来预防死锁。这种方法通常比较保守，可能会降低并发性。
• 死锁避免 (Deadlock Avoidance): 在事务执行之前，对事务需要的所有资源进行预先分配。这种方法需要提前知道事务需要的所有资源，实际应用中比较困难。
• 死锁检测与恢复 (Deadlock Detection and Recovery): 允许死锁发生，但通过死锁检测机制及时发现死锁，并选择一个事务回滚，释放资源，从而解除死锁。这是 InnoDB 采用的策略。

由于死锁预防和避免方法通常会降低并发性或难以实现，因此死锁检测与恢复是更常用的策略。

7. 如何避免死锁？

虽然 InnoDB 具有死锁检测机制，但频繁的死锁发生仍然会影响数据库的性能。因此，我们应该尽量避免死锁的发生。以下是一些避免死锁的常见方法：

• 尽量保持事务的短小: 事务越短，持有锁的时间就越短，发生死锁的概率就越低。
• 按照固定的顺序访问资源: 如果多个事务需要访问相同的资源，应尽量按照固定的顺序访问这些资源。例如，在上面的例子中，如果所有事务都先更新 id = 1 的行，再更新 id = 2 的行，就可以避免死锁。
• 使用较低的隔离级别: 较低的隔离级别会减少锁的使用，从而降低死锁的概率。但是，需要权衡隔离级别和数据一致性之间的关系。
• 使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句: SELECT ... FOR UPDATE 语句可以在读取数据的同时获取排他锁，防止其他事务修改数据，从而避免死锁。
• 避免长时间持有锁: 如果事务需要长时间持有锁，可以考虑将事务分解为多个小事务，或者使用乐观锁等机制。
• 设置合理的 innodb_lock_wait_timeout: 如果事务等待锁的时间超过 innodb_lock_wait_timeout，InnoDB 会尝试回滚事务，从而避免死锁长时间阻塞。
• 优化 SQL 语句: 避免执行复杂的 SQL 语句，尽量使用索引，减少锁的范围。
• 使用分布式事务协调器: 在分布式系统中，可以使用分布式事务协调器 (例如 Seata) 来保证事务的一致性，并避免死锁的发生。

让我们用代码示例来说明如何使用 SELECT ... FOR UPDATE 来避免死锁。 假设有一个场景，我们需要从 accounts 表中扣除金额，并添加到另一个账户中。

import mysql.connector

def transfer_funds(from_account_id, to_account_id, amount):
    config = {
        'user': 'your_user',
        'password': 'your_password',
        'host': 'localhost',
        'database': 'your_database',
        'autocommit': False  # 禁用自动提交，手动控制事务
    }

    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        # 1. 获取 from_account_id 的排他锁
        cursor.execute("SELECT balance FROM accounts WHERE id = %s FOR UPDATE", (from_account_id,))
        from_account = cursor.fetchone()
        if from_account is None:
            raise Exception(f"Account {from_account_id} not found")
        from_balance = from_account[0]

        # 2. 检查余额是否足够
        if from_balance < amount:
            raise Exception("Insufficient balance")

        # 3. 获取 to_account_id 的排他锁
        cursor.execute("SELECT balance FROM accounts WHERE id = %s FOR UPDATE", (to_account_id,))
        to_account = cursor.fetchone()
        if to_account is None:
            raise Exception(f"Account {to_account_id} not found")
        to_balance = to_account[0]

        # 4. 执行转账操作
        new_from_balance = from_balance - amount
        new_to_balance = to_balance + amount

        cursor.execute("UPDATE accounts SET balance = %s WHERE id = %s", (new_from_balance, from_account_id))
        cursor.execute("UPDATE accounts SET balance = %s WHERE id = %s", (new_to_balance, to_account_id))

        # 5. 提交事务
        cnx.commit()
        print("Transaction committed successfully.")

    except Exception as e:
        print(f"Transaction failed: {e}")
        if cnx:
            cnx.rollback()
            print("Transaction rolled back.")
    finally:
        if cnx:
            cursor.close()
            cnx.close()

# 示例调用
transfer_funds(1, 2, 100) # 从账户 1 转账 100 到账户 2

在这个例子中，我们使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句在读取账户余额的同时获取了排他锁。 这确保了在事务完成之前，没有其他事务可以修改这两个账户的余额，从而避免了死锁。

重要的注意事项:

• autocommit 必须设置为 False，以便我们可以手动控制事务的提交和回滚。
• 务必处理异常情况，并在发生错误时回滚事务，以确保数据的一致性。
• SELECT ... FOR UPDATE 会阻塞其他事务对相关行的访问，因此应该尽量减少持有锁的时间，避免长时间阻塞。

8. 死锁日志分析

当死锁发生时，InnoDB 会将死锁信息记录到错误日志中。分析死锁日志可以帮助我们找到死锁的原因，并采取相应的措施来避免死锁。

死锁日志通常包含以下信息：

• 死锁发生的时间
• 涉及的事务 ID
• 锁信息 (锁类型、锁定的资源等)
• SQL 语句
• 线程信息

通过分析这些信息，我们可以确定哪些事务之间发生了冲突，以及哪些 SQL 语句导致了死锁。

9. 死锁并不可怕，避免和解决是关键

总而言之，死锁是并发数据库系统中不可避免的问题。理解死锁的产生原因、检测机制以及处理方法，并采取适当的措施来避免死锁，对于构建高性能、可靠的数据库应用程序至关重要。记住，预防胜于治疗，尽可能地在设计阶段就考虑到并发问题，并采取相应的措施来避免死锁的发生。

希望今天的讲解对大家有所帮助，谢谢！