MySQL事务与并发之：`事务`的`死锁`：如何分析和解决`MySQL`中的`死锁`问题。 - 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

MySQL事务与并发：死锁分析与解决

大家好，今天我们来聊聊MySQL事务与并发控制中一个比较棘手的问题：死锁。死锁是并发编程中常见的现象，理解其原理和掌握应对方法对于构建健壮的数据库应用至关重要。

什么是死锁？

简单来说，死锁是指两个或多个事务，因为争夺共享资源而相互等待，导致所有事务都无法继续执行的状态。想象一下，两个人在一条只能容纳一个人的狭窄通道上相遇，双方都坚持对方先让路，结果谁也过不去，这就是一个简单的死锁模型。

在数据库中，资源通常指的是表中的行、索引，甚至是表本身。当事务需要以特定的顺序获取多个资源时，就可能出现死锁。

死锁的产生条件

死锁的发生需要满足以下四个必要条件，也被称为 Coffman 条件：

互斥条件 (Mutual Exclusion): 资源必须处于独占模式，即一个资源一次只能被一个事务持有。
占有且等待条件 (Hold and Wait): 一个事务在持有至少一个资源的同时，还在请求其他事务持有的资源。
不可剥夺条件 (No Preemption): 事务已经获得的资源，在其使用完成之前，不能被强制剥夺。
循环等待条件 (Circular Wait): 存在一个事务的循环等待链，链中的每个事务都在等待下一个事务所持有的资源。

只有这四个条件同时满足，死锁才可能发生。打破其中任何一个条件，都可以预防死锁。

MySQL 中死锁的场景示例

我们通过一个具体的例子来模拟MySQL中的死锁场景。假设我们有两个表：accounts（账户）和orders（订单）。

CREATE TABLE accounts (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    balance DECIMAL(10, 2) NOT NULL
);

CREATE TABLE orders (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    account_id INT NOT NULL,
    amount DECIMAL(10, 2) NOT NULL,
    FOREIGN KEY (account_id) REFERENCES accounts(id)
);

INSERT INTO accounts (balance) VALUES (1000.00), (500.00);

现在，我们模拟两个并发事务：

事务 A: 从 accounts 表中读取 ID 为 1 的账户余额，然后从 orders 表中读取 account_id 为 1 的所有订单。
事务 B: 从 orders 表中读取 account_id 为 2 的所有订单，然后从 accounts 表中读取 ID 为 2 的账户余额。

以下是模拟死锁的代码（假设隔离级别为 REPEATABLE READ 或更高，以保证锁的持有）：

事务 A:

START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE;  -- 获取 accounts 表 ID 为 1 的行的排他锁
SELECT * FROM orders WHERE account_id = 1 FOR UPDATE; -- 尝试获取 orders 表中 account_id 为 1 的行的排他锁
COMMIT;

事务 B:

START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE account_id = 2 FOR UPDATE; -- 获取 orders 表中 account_id 为 2 的行的排他锁
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE;  -- 尝试获取 accounts 表 ID 为 2 的行的排他锁
COMMIT;

如果事务 A 和事务 B 几乎同时开始，并且执行的顺序是：

事务 A 获取了 accounts 表中 ID 为 1 的行的锁。
事务 B 获取了 orders 表中 account_id 为 2 的行的锁。
事务 A 尝试获取 orders 表中 account_id 为 1 的行的锁，但被事务 B 阻塞。
事务 B 尝试获取 accounts 表中 ID 为 2 的行的锁，但被事务 A 阻塞。

此时，事务 A 和事务 B 互相等待对方释放锁，形成死锁。MySQL 会自动检测到死锁，并选择一个事务（通常是开销较小的事务）进行回滚，从而打破死锁。

如何检测死锁

MySQL 提供了几种方式来检测死锁：

错误日志: 当死锁发生时，MySQL 会将相关信息记录到错误日志中。查看错误日志是发现死锁的最直接方式。错误日志中会包含死锁发生的线程 ID，以及涉及的 SQL 语句。
SHOW ENGINE INNODB STATUS: 这个命令可以显示 InnoDB 引擎的内部状态信息，包括死锁检测器的运行情况。在输出的信息中，可以找到 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分，它会详细描述最近一次死锁的发生情况，包括涉及的事务、锁类型、SQL 语句等。

执行以下SQL：
```
SHOW ENGINE INNODB STATUS;
```
在输出结果中查找 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分。
Performance Schema: MySQL 5.6 及以上版本提供了 Performance Schema，可以用来监控数据库的各种性能指标，包括死锁。可以通过查询 Performance Schema 的相关表来获取死锁信息。

例如，查询 events_errors_summary_global_by_error 表可以获取错误事件的统计信息，包括死锁错误。
```
SELECT ERROR_NUMBER, ERROR_NAME, COUNT_STAR FROM performance_schema.events_errors_summary_global_by_error WHERE ERROR_NAME LIKE 'ER_LOCK_DEADLOCK';
```

如何解决死锁

解决死锁问题通常需要从以下几个方面入手：

预防死锁:
- 一致的加锁顺序: 这是预防死锁最有效的手段之一。确保所有事务都以相同的顺序获取资源。例如，在上面的例子中，如果所有事务都先获取 accounts 表的锁，再获取 orders 表的锁，就可以避免死锁。
```
-- 优化后的事务 A
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE;
SELECT * FROM orders WHERE account_id = 1 FOR UPDATE;
COMMIT;

-- 优化后的事务 B
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE;
SELECT * FROM orders WHERE account_id = 2 FOR UPDATE;
COMMIT;
```
- 尽量一次性获取所有需要的锁: 减少事务持有锁的时间，降低发生死锁的概率。
- 避免长事务: 长事务持有锁的时间较长，容易与其他事务发生冲突。尽量将事务拆分成更小的单元。
- 使用较低的隔离级别: 较低的隔离级别锁的持有时间更短，但可能会引入其他并发问题（例如脏读、不可重复读等）。需要在隔离级别和并发性能之间进行权衡。 READ COMMITTED 通常是一个不错的选择。
- 设置锁超时时间: innodb_lock_wait_timeout 参数可以设置 InnoDB 引擎等待锁释放的最长时间。如果超过这个时间，事务会自动回滚，从而避免死锁。默认值是50秒。
```
-- 设置锁等待超时时间为 10 秒
SET innodb_lock_wait_timeout = 10;
```

检测与恢复:

死锁检测器: InnoDB 引擎内置了死锁检测器，可以自动检测死锁并选择一个事务进行回滚。这是 MySQL 解决死锁的主要方式。

应用程序重试: 当事务因为死锁而被回滚时，应用程序应该能够捕获这个错误，并自动重试事务。为了避免重试导致死锁再次发生，可以引入随机延迟。

import mysql.connector
import time
import random

def execute_transaction(query1, query2):
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(user='your_user', password='your_password', host='your_host', database='your_database')
        cursor = cnx.cursor()

        cnx.start_transaction()
        cursor.execute(query1)
        cursor.execute(query2)
        cnx.commit()

        cursor.close()
        cnx.close()
        return True

    except mysql.connector.Error as err:
        cnx.rollback()
        cursor.close()
        cnx.close()
        print(f"Transaction failed: {err}")
        if err.errno == 1213:  # ER_LOCK_DEADLOCK
            print("Deadlock detected, retrying...")
            return False
        else:
            raise  # Re-raise the exception for other errors

def retry_transaction(query1, query2, max_retries=3):
    for i in range(max_retries):
        if execute_transaction(query1, query2):
            print("Transaction successful after retry.")
            return True
        else:
            delay = random.uniform(0.1, 0.5)  # Random delay between 0.1 and 0.5 seconds
            print(f"Waiting {delay:.2f} seconds before retry...")
            time.sleep(delay)

    print("Transaction failed after multiple retries.")
    return False

# Example usage
query1 = "UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1"
query2 = "INSERT INTO orders (account_id, amount) VALUES (1, 100)"

retry_transaction(query1, query2)

优化SQL:
- 避免在事务中执行不必要的查询: 减少事务持有锁的时间。
- 使用索引: 索引可以加速查询，减少锁的竞争。确保在需要锁定的列上创建了索引。
- 避免全表扫描: 全表扫描会锁定大量的行，增加发生死锁的概率。

死锁分析工具

除了上述方法外，还可以使用一些工具来帮助分析死锁：

pt-deadlock-logger (Percona Toolkit): 这个工具可以持续监控 MySQL 的错误日志，并在发现死锁时将相关信息记录到文件中，方便后续分析。
MySQL Enterprise Monitor: MySQL 官方提供的监控工具，可以监控数据库的各种性能指标，包括死锁。

一些建议

监控数据库的死锁情况: 定期查看错误日志和 InnoDB 状态信息，了解死锁发生的频率和原因。
分析死锁发生的场景: 通过分析死锁日志，找出导致死锁的 SQL 语句和事务模式。
根据具体情况选择合适的解决方案: 没有一劳永逸的解决方案。需要根据具体的应用场景和业务需求，选择合适的预防和解决死锁的方法。
代码审查: 在代码审查过程中，重点关注事务的使用和锁的获取，避免潜在的死锁风险。
压力测试: 通过压力测试模拟高并发场景，可以帮助发现潜在的死锁问题。

死锁的避免与调试策略总结

策略	描述	适用场景
一致的加锁顺序	确保所有事务都以相同的顺序获取资源，避免循环等待。	所有事务都需要获取多个资源，并且资源之间存在依赖关系。
减少锁持有时间	尽量一次性获取所有需要的锁，避免在事务中执行不必要的查询，避免长事务。	高并发场景，需要尽量减少锁的竞争。
使用较低的隔离级别	较低的隔离级别锁的持有时间更短，但可能会引入其他并发问题。	对数据一致性要求不高，但对并发性能要求较高的场景。
设置锁超时时间	`innodb_lock_wait_timeout` 参数可以设置 InnoDB 引擎等待锁释放的最长时间。	可以避免事务长时间阻塞，但可能会导致事务失败。
死锁检测与重试	应用程序应该能够捕获死锁错误，并自动重试事务。	无法完全避免死锁，但可以提高事务的成功率。
优化 SQL	避免在事务中执行不必要的查询，使用索引，避免全表扫描。	所有场景，SQL 优化可以提高数据库的整体性能。
监控与分析	定期查看错误日志和 InnoDB 状态信息，了解死锁发生的频率和原因。	所有场景，监控和分析可以帮助及时发现和解决死锁问题。
使用悲观锁	数据库层面进行加锁，在读数据时就对数据加锁（排他锁），防止其他事务修改。适用于并发量不高，但对数据准确性要求严格的场景。如果锁冲突严重，会导致性能下降。	并发量不高，数据准确性要求严格的场景
使用乐观锁	在数据表中增加版本号或者时间戳字段，在更新数据时，先比较版本号或者时间戳是否一致，如果一致则更新，否则更新失败。适用于并发量较高，但冲突较少的场景。乐观锁实现简单，性能较高，但需要应用程序处理冲突。	并发量较高，但冲突较少的场景

总结：理解死锁，预防为主，监控为辅

死锁是并发编程中难以避免的问题，但通过理解其原理，采取合适的预防和解决措施，可以将其影响降到最低。预防死锁的关键在于一致的加锁顺序和减少锁的持有时间。持续监控数据库的死锁情况，并根据具体情况选择合适的解决方案。优化SQL，审查代码，进行压力测试，都是避免死锁的重要手段。

MySQL事务与并发：死锁分析与解决

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