MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Locking`：`行锁`、`表锁`、`意向锁`和`Gap Lock`的底层实现。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

好的，各位同学，大家好！今天我们来深入探讨MySQL InnoDB存储引擎中的锁定机制，包括行锁、表锁、意向锁和Gap Lock，并探究它们的底层实现原理。

InnoDB 锁定机制概述

InnoDB 作为 MySQL 的默认存储引擎，以其强大的事务支持和并发控制能力著称。锁定机制是实现事务隔离和并发控制的关键。InnoDB 主要使用行锁来实现细粒度的并发控制，同时为了优化性能，还引入了表锁、意向锁和 Gap Lock 等辅助机制。

1. 行锁 (Row Lock)

行锁是 InnoDB 中最基本的锁类型，它针对表中的单个行进行锁定。当一个事务需要修改某一行数据时，它会先获取该行的行锁，阻止其他事务同时修改该行，从而保证数据的一致性。

1.1 行锁的类型

InnoDB 支持两种类型的行锁：

共享锁 (Shared Lock, S Lock)：允许持有锁的事务读取行数据，但不允许修改。多个事务可以同时持有同一行的共享锁。
排他锁 (Exclusive Lock, X Lock)：允许持有锁的事务读取和修改行数据，其他事务不能持有该行的任何锁（包括共享锁和排他锁）。

1.2 行锁的实现方式

InnoDB 的行锁是通过索引来实现的。具体来说，当一个事务需要锁定某一行时，它会先找到该行对应的索引记录，然后在索引记录上加锁。

主键索引 (Primary Key Index)：如果更新语句使用了主键索引，则 InnoDB 会锁定主键索引上的记录。
唯一索引 (Unique Index)：如果更新语句使用了唯一索引，则 InnoDB 会锁定唯一索引上的记录。
普通索引 (Non-Unique Index)：如果更新语句使用了普通索引，则 InnoDB 会锁定普通索引上的记录，并且还会锁定对应的主键索引上的记录。这是因为 InnoDB 需要通过普通索引找到对应的主键值，然后才能定位到具体的行数据。

1.3 行锁的加锁方式

InnoDB 的行锁加锁方式主要有两种：

自动加锁 (Implicit Locking)：当事务执行更新语句 (UPDATE, DELETE, INSERT) 时，InnoDB 会自动为涉及到的行加上排他锁。
显式加锁 (Explicit Locking)：事务可以使用 SELECT ... LOCK IN SHARE MODE 语句显式地为行加上共享锁，或者使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句显式地为行加上排他锁。

1.4 行锁的示例

假设我们有一个 users 表，结构如下：

CREATE TABLE `users` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(255) NOT NULL,
  `age` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `idx_name` (`name`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

示例 1：自动加锁

-- 事务 1
START TRANSACTION;
UPDATE users SET age = 30 WHERE id = 1; -- 自动为 id=1 的行加上排他锁
-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE users SET age = 35 WHERE id = 1; -- 阻塞，直到事务 1 释放锁
COMMIT;
COMMIT;

示例 2：显式加锁

-- 事务 1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM users WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 显式为 id=1 的行加上排他锁
-- 事务 2
START TRANSACTION;
SELECT * FROM users WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 阻塞，直到事务 1 释放锁
COMMIT;
COMMIT;

2. 表锁 (Table Lock)

表锁是针对整个表进行锁定的锁类型。与行锁相比，表锁的粒度更大，并发性能更低。InnoDB 一般不使用表锁，除非有特殊需要，例如执行 ALTER TABLE 语句时。

2.1 表锁的类型

共享锁 (Shared Lock)：允许持有锁的事务读取表数据，但不允许修改。多个事务可以同时持有同一张表的共享锁。
排他锁 (Exclusive Lock)：允许持有锁的事务读取和修改表数据，其他事务不能持有该表的任何锁（包括共享锁和排他锁）。

2.2 表锁的获取方式

可以通过 LOCK TABLES 语句显式地获取表锁。例如：

LOCK TABLES users READ; -- 获取 users 表的共享锁
LOCK TABLES users WRITE; -- 获取 users 表的排他锁
UNLOCK TABLES; -- 释放锁

2.3 InnoDB 如何避免过度使用表锁

InnoDB 主要依靠行锁来保证并发性能，尽量避免使用表锁。只有在必要的情况下，例如执行 ALTER TABLE 语句时，才会使用表锁。在执行 ALTER TABLE 语句时，InnoDB 会先获取表的排他锁，阻止其他事务对表进行任何操作，然后才能执行修改表结构的操作。

3. 意向锁 (Intention Lock)

意向锁是一种表级别的锁，用于表明事务想要在表中的某些行上加锁的意图。意向锁分为两种类型：

意向共享锁 (Intention Shared Lock, IS Lock)：表明事务想要在表中的某些行上加共享锁。
意向排他锁 (Intention Exclusive Lock, IX Lock)：表明事务想要在表中的某些行上加排他锁。

3.1 意向锁的作用

意向锁的主要作用是提高并发性能。当一个事务想要获取表的排他锁时，InnoDB 不需要逐行检查是否有其他事务持有行锁，只需要检查是否有其他事务持有该表的意向排他锁或排他锁即可。

3.2 意向锁的兼容性

意向锁与其他锁的兼容性如下表所示：

锁类型	IS	IX	S	X
意向共享锁 (IS)	√	√	√	×
意向排他锁 (IX)	√	×	×	×
共享锁 (S)	√	×	√	×
排他锁 (X)	×	×	×	×

说明：

√ 表示兼容，× 表示不兼容。
例如，如果一个事务持有了表的意向共享锁 (IS)，则其他事务可以继续获取该表的意向共享锁 (IS) 或共享锁 (S)，但不能获取意向排他锁 (IX) 或排他锁 (X)。

3.3 意向锁的加锁方式

意向锁是由 InnoDB 自动维护的，不需要显式地获取。当事务想要在表中的某些行上加共享锁时，InnoDB 会先为该表加上意向共享锁 (IS)。当事务想要在表中的某些行上加排他锁时，InnoDB 会先为该表加上意向排他锁 (IX)。

3.4 意向锁的示例

-- 事务 1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM users WHERE id = 1 LOCK IN SHARE MODE; -- InnoDB 会先为 users 表加上意向共享锁 (IS)，然后为 id=1 的行加上共享锁 (S)
-- 事务 2
START TRANSACTION;
SELECT * FROM users WHERE id = 2 FOR UPDATE; -- InnoDB 会先为 users 表加上意向排他锁 (IX)，然后为 id=2 的行加上排他锁 (X)
-- 事务 3
START TRANSACTION;
LOCK TABLES users WRITE; -- 阻塞，因为事务 1 和事务 2 都持有 users 表的意向锁
COMMIT;
COMMIT;
COMMIT;

4. Gap Lock (间隙锁)

Gap Lock 是一种锁定索引记录之间的间隙的锁。它用于防止其他事务在间隙中插入新的记录，从而避免幻读 (Phantom Read) 现象。

4.1 幻读现象

幻读是指在一个事务中，多次执行相同的查询，但由于其他事务插入了新的记录，导致每次查询的结果集不一致的现象。

4.2 Gap Lock 的作用

Gap Lock 可以防止其他事务在间隙中插入新的记录，从而避免幻读现象。当一个事务持有 Gap Lock 时，其他事务不能在该间隙中插入新的记录，即使这些记录满足查询条件。

4.3 Gap Lock 的类型

Gap Lock 分为两种类型：

共享间隙锁 (Shared Gap Lock, S Gap Lock)：允许持有锁的事务读取间隙中的数据，但不允许插入新的记录。
排他间隙锁 (Exclusive Gap Lock, X Gap Lock)：允许持有锁的事务读取和修改间隙中的数据，不允许插入新的记录。

4.4 Gap Lock 的加锁方式

Gap Lock 是由 InnoDB 自动维护的，不需要显式地获取。当事务执行某些查询语句时，InnoDB 会自动为相关的间隙加上 Gap Lock，以防止幻读现象。

4.5 Gap Lock 的示例

假设我们有一个 orders 表，结构如下：

CREATE TABLE `orders` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `user_id` int(11) NOT NULL,
  `amount` decimal(10,2) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `idx_user_id` (`user_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

INSERT INTO `orders` (`id`, `user_id`, `amount`) VALUES (1, 1, 10.00);
INSERT INTO `orders` (`id`, `user_id`, `amount`) VALUES (3, 1, 30.00);
INSERT INTO `orders` (`id`, `user_id`, `amount`) VALUES (5, 2, 50.00);

示例：Gap Lock 防止幻读

-- 事务 1
START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE id > 1 AND id < 5 FOR UPDATE; -- InnoDB 会为 (1, 3) 和 (3, 5) 之间的间隙加上 Gap Lock

-- 事务 2
START TRANSACTION;
INSERT INTO orders (id, user_id, amount) VALUES (2, 1, 20.00); -- 阻塞，因为事务 1 持有 (1, 3) 之间的 Gap Lock
INSERT INTO orders (id, user_id, amount) VALUES (4, 2, 40.00); -- 阻塞，因为事务 1 持有 (3, 5) 之间的 Gap Lock
COMMIT;

COMMIT;

在这个示例中，事务 1 执行了一个范围查询，并使用了 FOR UPDATE 语句，InnoDB 会为 id 为 1 和 5 的记录之间的间隙加上 Gap Lock。这样，事务 2 就无法在该间隙中插入新的记录，从而避免了幻读现象。

4.6 Next-Key Lock

Next-Key Lock 是 Gap Lock 和 Record Lock 的组合，它锁定一个记录以及该记录之前的间隙。Next-Key Lock 是 InnoDB 默认的行锁算法。

4.7 总结

锁类型	作用	粒度	是否需要显式获取
行锁	锁定表中的单个行，保证数据一致性	行	否
表锁	锁定整个表，用于执行 DDL 操作等	表	是
意向锁	表明事务想要在表中的某些行上加锁的意图，提高并发性能	表	否
Gap Lock	锁定索引记录之间的间隙，防止其他事务在间隙中插入新的记录，避免幻读	间隙	否

InnoDB 锁机制的意义

InnoDB 的锁定机制是实现事务隔离和并发控制的关键。通过行锁、表锁、意向锁和 Gap Lock 等多种锁类型，InnoDB 能够有效地管理并发访问，保证数据的一致性和完整性。理解 InnoDB 的锁定机制对于编写高性能、高可靠性的 MySQL 应用至关重要。

最后，关于InnoDB锁机制的一些关键点

InnoDB 默认使用行锁进行并发控制。
行锁是通过索引实现的，如果没有索引，则会锁定整个表。
意向锁可以提高并发性能，避免不必要的冲突检测。
Gap Lock 可以防止幻读现象，保证数据的一致性。
理解InnoDB的锁定机制，可以帮助我们更好地设计和优化MySQL应用。

希望本次讲座对大家有所帮助！谢谢大家！

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