MySQL事务与并发之：`事务`的`锁定读`：`SELECT … FOR SHARE`和`SELECT … FOR UPDATE`的用法。

MySQL事务与并发：锁定读的艺术

大家好，今天我们来深入探讨MySQL事务与并发控制中的一个重要概念：锁定读。锁定读是控制并发访问共享资源的关键手段，它允许我们在读取数据的同时施加锁，以防止其他事务在读取之后修改数据，从而确保数据的一致性和完整性。我们今天将重点介绍两种锁定读的方式：SELECT ... FOR SHARE和SELECT ... FOR UPDATE。

1. 并发控制的必要性

在深入锁定读之前，我们需要理解并发控制的重要性。在多用户、高并发的数据库系统中，多个事务可能同时访问和修改相同的数据。如果没有适当的并发控制机制，就会出现以下问题：

• 脏读（Dirty Read）： 一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据，如果后者事务回滚，则前者事务读取的数据是无效的。
• 不可重复读（Non-repeatable Read）： 在同一个事务中，多次读取同一条记录，由于其他事务的修改并提交，导致每次读取的结果不一致。
• 幻读（Phantom Read）： 在同一个事务中，使用相同的查询条件，第一次查询没有找到记录，但之后由于其他事务的插入操作，再次查询时出现了新的记录。

这些问题会导致数据的不一致性，影响应用程序的正确性和可靠性。MySQL提供了多种并发控制机制，包括锁、MVCC（多版本并发控制）等。锁定读就是基于锁机制的一种并发控制手段。

2. 事务隔离级别与锁定读

MySQL的事务隔离级别决定了事务之间可以相互看到的程度。不同的隔离级别对应着不同的并发控制策略，也影响着锁定读的行为。MySQL支持四种隔离级别：

• READ UNCOMMITTED： 允许读取未提交的数据。最低的隔离级别，几乎不会使用，因为它会导致脏读、不可重复读和幻读。
• READ COMMITTED： 只能读取已提交的数据。可以避免脏读，但仍然可能出现不可重复读和幻读。
• REPEATABLE READ： 保证在同一个事务中，多次读取同一条记录的结果一致。可以避免脏读和不可重复读，但在某些情况下仍然可能出现幻读。MySQL的默认隔离级别。
• SERIALIZABLE： 最高的隔离级别，强制事务串行执行。可以避免脏读、不可重复读和幻读，但并发性能最低。

锁定读在不同的隔离级别下表现略有不同。例如，在READ COMMITTED隔离级别下，SELECT ... FOR UPDATE可能导致不可重复读，而在REPEATABLE READ隔离级别下，则可以避免。

3. SELECT ... FOR SHARE：共享锁

SELECT ... FOR SHARE语句用于获取共享锁（Shared Lock），也称为读锁。当一个事务使用SELECT ... FOR SHARE读取一条记录时，其他事务可以继续使用SELECT ... FOR SHARE读取该记录，但不能使用SELECT ... FOR UPDATE或UPDATE/DELETE语句修改或删除该记录。直到持有共享锁的事务释放锁，其他事务才能获取排他锁。

语法：

SELECT column1, column2, ...
FROM table_name
WHERE condition
FOR SHARE;

使用场景：

• 需要读取数据，并且保证在读取期间数据不会被其他事务修改。
• 多个事务需要并发读取同一份数据，但不需要修改。

示例：

假设我们有一个products表，包含id、name和stock字段。

CREATE TABLE products (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    name VARCHAR(255) NOT NULL,
    stock INT NOT NULL
);

INSERT INTO products (name, stock) VALUES ('Product A', 10);
INSERT INTO products (name, stock) VALUES ('Product B', 5);

现在，有两个事务需要查询Product A的库存：

事务 1：

START TRANSACTION;

-- 获取 Product A 的库存，并施加共享锁
SELECT stock FROM products WHERE name = 'Product A' FOR SHARE;

-- 在读取库存之后，进行一些业务逻辑处理
-- ...

COMMIT;

事务 2：

START TRANSACTION;

-- 获取 Product A 的库存，并施加共享锁
SELECT stock FROM products WHERE name = 'Product A' FOR SHARE;

-- 在读取库存之后，进行一些业务逻辑处理
-- ...

COMMIT;

在这个例子中，事务1和事务2都可以成功读取Product A的库存，因为它们都只获取了共享锁。但是，如果有一个事务尝试修改Product A的库存，它将会被阻塞，直到事务1或事务2释放共享锁。

事务 3：

START TRANSACTION;

-- 尝试更新 Product A 的库存，将会被阻塞
UPDATE products SET stock = 9 WHERE name = 'Product A';

COMMIT;

代码演示 (Python + SQLAlchemy):

from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker

# 连接数据库
engine = create_engine('mysql+pymysql://user:password@host/database')
Base = declarative_base()

# 定义 Product 类
class Product(Base):
    __tablename__ = 'products'
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    name = Column(String(255))
    stock = Column(Integer)

Base.metadata.create_all(engine)

# 创建 Session
Session = sessionmaker(bind=engine)

# 事务 1
session1 = Session()
try:
    # 获取 Product A 的库存，并施加共享锁
    product = session1.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update(read=True).first()
    if product:
        print(f"事务1: Product A 库存: {product.stock}")
        # 模拟一些业务逻辑处理
        import time
        time.sleep(5)  # 模拟耗时操作
        session1.commit()
        print("事务1: 提交成功")
    else:
        print("事务1: Product A 不存在")
        session1.rollback()
except Exception as e:
    print(f"事务1: 发生异常: {e}")
    session1.rollback()
finally:
    session1.close()

# 事务 2 (模拟并发)
import threading
import time

def transaction2():
    time.sleep(1) # 稍微延迟，模拟并发
    session2 = Session()
    try:
        # 获取 Product A 的库存，并施加共享锁
        product = session2.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update(read=True).first()
        if product:
            print(f"事务2: Product A 库存: {product.stock}")
            session2.commit()
            print("事务2: 提交成功")
        else:
            print("事务2: Product A 不存在")
            session2.rollback()
    except Exception as e:
        print(f"事务2: 发生异常: {e}")
        session2.rollback()
    finally:
        session2.close()

thread = threading.Thread(target=transaction2)
thread.start()

# 事务 3 (更新操作，模拟阻塞)
def transaction3():
    time.sleep(2) # 稍微延迟，模拟并发
    session3 = Session()
    try:
        # 尝试更新 Product A 的库存，将会被阻塞
        product = session3.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').first()
        if product:
            product.stock = 9
            session3.commit()
            print("事务3: 更新成功")
        else:
            print("事务3: Product A 不存在")
            session3.rollback()
    except Exception as e:
        print(f"事务3: 发生异常: {e}")
        session3.rollback()
    finally:
        session3.close()

thread2 = threading.Thread(target=transaction3)
thread2.start()

解释:

• 这个例子使用了 SQLAlchemy ORM 来简化数据库操作。
• with_for_update(read=True) 相当于 SELECT ... FOR SHARE。
• 事务 1 和事务 2 都尝试获取 Product A 的共享锁。
• 事务 3 尝试更新 Product A 的库存，由于事务 1 持有共享锁，事务 3 会被阻塞，直到事务 1 提交或回滚。
• 通过 time.sleep() 模拟了业务逻辑处理的耗时，更容易观察并发行为。

4. SELECT ... FOR UPDATE：排他锁

SELECT ... FOR UPDATE语句用于获取排他锁（Exclusive Lock），也称为写锁。当一个事务使用SELECT ... FOR UPDATE读取一条记录时，其他事务不能再对该记录进行任何操作，包括读取、修改或删除。直到持有排他锁的事务释放锁，其他事务才能获取锁。

语法：

SELECT column1, column2, ...
FROM table_name
WHERE condition
FOR UPDATE;

使用场景：

• 需要读取数据，并且立即对数据进行修改。
• 需要防止其他事务在读取之后修改数据，以确保数据的一致性。

示例：

继续使用products表，假设我们需要实现一个扣减库存的功能。

事务 1：

START TRANSACTION;

-- 获取 Product A 的库存，并施加排他锁
SELECT stock FROM products WHERE name = 'Product A' FOR UPDATE;

-- 检查库存是否足够
SET @stock = (SELECT stock FROM products WHERE name = 'Product A');
IF @stock >= 1 THEN
    -- 扣减库存
    UPDATE products SET stock = stock - 1 WHERE name = 'Product A';
    COMMIT;
ELSE
    -- 库存不足，回滚事务
    ROLLBACK;
END IF;

事务 2：

START TRANSACTION;

-- 尝试获取 Product A 的库存，将会被阻塞
SELECT stock FROM products WHERE name = 'Product A' FOR UPDATE;

-- ...
COMMIT;

在这个例子中，事务1首先使用SELECT ... FOR UPDATE获取了Product A的排他锁。然后，它检查库存是否足够，如果足够，则扣减库存并提交事务。如果库存不足，则回滚事务。在事务1持有排他锁期间，事务2尝试获取Product A的排他锁将会被阻塞，直到事务1释放锁。

代码演示 (Python + SQLAlchemy):

from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker

# 连接数据库
engine = create_engine('mysql+pymysql://user:password@host/database')
Base = declarative_base()

# 定义 Product 类
class Product(Base):
    __tablename__ = 'products'
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    name = Column(String(255))
    stock = Column(Integer)

Base.metadata.create_all(engine)

# 创建 Session
Session = sessionmaker(bind=engine)

# 事务 1 (扣减库存)
session1 = Session()
try:
    # 获取 Product A 的库存，并施加排他锁
    product = session1.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update().first()
    if product:
        print(f"事务1: Product A 库存: {product.stock}")
        if product.stock >= 1:
            product.stock -= 1
            session1.commit()
            print("事务1: 扣减成功，提交成功")
        else:
            print("事务1: 库存不足，回滚")
            session1.rollback()
    else:
        print("事务1: Product A 不存在")
        session1.rollback()
except Exception as e:
    print(f"事务1: 发生异常: {e}")
    session1.rollback()
finally:
    session1.close()

# 事务 2 (尝试扣减库存，模拟阻塞)
import threading
import time

def transaction2():
    time.sleep(1) # 稍微延迟，模拟并发
    session2 = Session()
    try:
        # 尝试获取 Product A 的库存，将会被阻塞
        product = session2.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update().first()
        if product:
            print(f"事务2: Product A 库存: {product.stock}")
            if product.stock >= 1:
                product.stock -= 1
                session2.commit()
                print("事务2: 扣减成功，提交成功")
            else:
                print("事务2: 库存不足，回滚")
                session2.rollback()
        else:
            print("事务2: Product A 不存在")
            session2.rollback()
    except Exception as e:
        print(f"事务2: 发生异常: {e}")
        session2.rollback()
    finally:
        session2.close()

thread = threading.Thread(target=transaction2)
thread.start()

解释:

• 这个例子使用了 SQLAlchemy ORM 来简化数据库操作。
• with_for_update() 相当于 SELECT ... FOR UPDATE。
• 事务 1 首先获取 Product A 的排他锁。
• 事务 2 尝试获取 Product A 的排他锁，由于事务 1 持有锁，事务 2 会被阻塞，直到事务 1 提交或回滚。

5. 锁定读的注意事项

• 锁的范围： 锁定读会对命中的记录施加锁。如果没有命中任何记录，则不会施加锁。 在某些隔离级别下，可能会出现间隙锁。

• 死锁： 锁定读可能会导致死锁。例如，如果两个事务分别获取了对方需要的锁，它们就会互相等待，导致死锁。 避免死锁的常见方法包括：始终以相同的顺序访问资源、尽量缩短事务的持有锁的时间、使用LOCK WAIT TIMEOUT参数设置锁的等待时间等。

• 性能影响： 锁定读会降低并发性能。过度使用锁定读会导致事务的阻塞，降低系统的吞吐量。因此，应该谨慎使用锁定读，只在必要时使用。

• 隔离级别： 锁定读的行为会受到事务隔离级别的影响。 例如，在READ COMMITTED隔离级别下，SELECT ... FOR UPDATE可能导致不可重复读，因为在读取数据之后，其他事务可能会修改数据并提交。

• 索引： 锁定读需要使用索引才能有效地锁定记录。如果没有使用索引，MySQL可能会锁定整个表，导致并发性能急剧下降。

6. NOWAIT 和 SKIP LOCKED

MySQL 8.0 引入了 NOWAIT 和 SKIP LOCKED 选项，可以进一步控制锁定读的行为。

• NOWAIT： 如果无法立即获取锁，则立即返回错误，而不是等待。

  SELECT ... FOR UPDATE NOWAIT;

• SKIP LOCKED： 如果无法立即获取锁，则跳过该记录，继续处理其他记录。

  SELECT ... FOR UPDATE SKIP LOCKED;

使用场景：

• NOWAIT： 适用于不希望事务长时间阻塞的情况。 例如，在需要快速响应的场景中，可以使用NOWAIT选项，如果无法立即获取锁，则放弃操作，避免阻塞其他事务。

• SKIP LOCKED： 适用于可以容忍部分数据被跳过的情况。 例如，在批量处理数据的场景中，可以使用SKIP LOCKED选项，跳过已经被锁定的记录，继续处理其他记录，提高处理效率。

代码演示 (Python + SQLAlchemy):

from sqlalchemy import create_engine, Column, Integer, String
from sqlalchemy.ext.declarative import declarative_base
from sqlalchemy.orm import sessionmaker
from sqlalchemy.exc import OperationalError

# 连接数据库
engine = create_engine('mysql+pymysql://user:password@host/database')
Base = declarative_base()

# 定义 Product 类
class Product(Base):
    __tablename__ = 'products'
    id = Column(Integer, primary_key=True)
    name = Column(String(255))
    stock = Column(Integer)

Base.metadata.create_all(engine)

# 创建 Session
Session = sessionmaker(bind=engine)

# 事务 1 (扣减库存)
session1 = Session()
try:
    # 获取 Product A 的库存，并施加排他锁
    product = session1.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update().first()
    if product:
        print(f"事务1: Product A 库存: {product.stock}")
        if product.stock >= 1:
            product.stock -= 1
            session1.commit()
            print("事务1: 扣减成功，提交成功")
        else:
            print("事务1: 库存不足，回滚")
            session1.rollback()
    else:
        print("事务1: Product A 不存在")
        session1.rollback()
except Exception as e:
    print(f"事务1: 发生异常: {e}")
    session1.rollback()
finally:
    session1.close()

# 事务 2 (尝试扣减库存，使用 NOWAIT)
import threading
import time

def transaction2():
    time.sleep(1) # 稍微延迟，模拟并发
    session2 = Session()
    try:
        # 尝试获取 Product A 的库存，将会被阻塞,  使用 NOWAIT
        product = session2.query(Product).filter(Product.name == 'Product A').with_for_update(nowait=True).first()
        if product:
            print(f"事务2: Product A 库存: {product.stock}")
            if product.stock >= 1:
                product.stock -= 1
                session2.commit()
                print("事务2: 扣减成功，提交成功")
            else:
                print("事务2: 库存不足，回滚")
                session2.rollback()
        else:
            print("事务2: Product A 不存在")
            session2.rollback()
    except OperationalError as e:
        print(f"事务2: 无法立即获取锁: {e}")  # 捕获无法立即获取锁的异常
        session2.rollback()
    except Exception as e:
        print(f"事务2: 发生异常: {e}")
        session2.rollback()
    finally:
        session2.close()

thread = threading.Thread(target=transaction2)
thread.start()

解释:

• 在这个例子中，事务 2 使用 with_for_update(nowait=True) 尝试获取排他锁，如果无法立即获取锁，将会抛出 OperationalError 异常。
• 通过捕获 OperationalError 异常，可以处理无法立即获取锁的情况。

7. 选择合适的锁定读策略

选择合适的锁定读策略需要根据具体的业务场景和并发需求进行权衡。

特性	SELECT ... FOR SHARE	SELECT ... FOR UPDATE	NOWAIT	SKIP LOCKED
锁类型	共享锁	排他锁	N/A	N/A
并发读	支持	不支持	N/A	N/A
并发写	不支持	不支持	N/A	N/A
是否阻塞	可能阻塞	可能阻塞	不阻塞	可能阻塞 (但跳过锁定记录)
适用场景	多个事务并发读取数据	需要立即修改数据	快速响应，不希望阻塞	批量处理，容忍跳过

一般来说，如果只需要读取数据，并且允许多个事务并发读取，可以使用SELECT ... FOR SHARE。如果需要读取数据并立即进行修改，或者需要防止其他事务在读取之后修改数据，可以使用SELECT ... FOR UPDATE。如果希望避免事务长时间阻塞，可以使用NOWAIT选项。如果可以容忍部分数据被跳过，可以使用SKIP LOCKED选项。

8. 总结：锁定读是并发控制的重要手段

今天我们深入探讨了MySQL事务与并发控制中的锁定读，包括SELECT ... FOR SHARE和SELECT ... FOR UPDATE的用法，以及NOWAIT和SKIP LOCKED选项。理解锁定读的原理和使用场景，可以帮助我们更好地控制并发访问共享资源，确保数据的一致性和完整性。 记住，使用锁定读需要谨慎，过度使用会导致性能下降。 选择合适的策略，并结合事务隔离级别，才能发挥锁定读的最大效用。