MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Deadlock`：其在事务中的检测与处理机制。 - 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，我们开始今天的讲座，主题是MySQL InnoDB存储引擎中的死锁（Deadlock）：其在事务中的检测与处理机制。死锁是并发数据库系统中的一个常见问题，理解其原理并掌握相应的处理方法对于构建健壮的数据库应用至关重要。

一、什么是死锁？

死锁是指两个或多个事务在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的僵局。每个事务都在等待其他事务释放其所持有的资源，而没有事务能够继续执行，最终导致所有事务都无法完成。

举个简单的例子：

事务 A 锁定了表 T1 的行 R1。
事务 B 锁定了表 T2 的行 R2。
事务 A 尝试锁定表 T2 的行 R2，但被事务 B 阻塞。
事务 B 尝试锁定表 T1 的行 R1，但被事务 A 阻塞。

此时，事务 A 和事务 B 都在互相等待对方释放资源，形成了死锁。

二、InnoDB 中的锁机制

要理解死锁，首先需要了解 InnoDB 的锁机制。InnoDB 使用多种锁类型来保证数据的一致性和并发性。

共享锁 (Shared Lock, S Lock)：允许事务读取资源。多个事务可以同时持有同一资源的共享锁。
排他锁 (Exclusive Lock, X Lock)：允许事务修改资源。只有一个事务可以持有某一资源的排他锁。
意向锁 (Intention Lock)：InnoDB 支持多粒度锁，允许行级锁和表级锁共存。意向锁用于指示事务想要在表级别上使用哪种类型的锁（共享或排他）。意向锁不会阻止除全表请求之外的任何请求。
- 意向共享锁 (Intention Shared Lock, IS Lock)：表明事务打算在表中的某些行上设置共享锁。
- 意向排他锁 (Intention Exclusive Lock, IX Lock)：表明事务打算在表中的某些行上设置排他锁。

InnoDB 使用这些锁来保证事务的 ACID 特性。

三、死锁产生的条件

死锁的发生需要满足以下四个必要条件，被称为 Coffman 条件：

互斥条件 (Mutual Exclusion)：资源必须以独占方式分配，即一次只有一个事务可以使用一个资源。
持有并等待条件 (Hold and Wait)：一个事务至少持有一个资源，并且还在等待获取其他事务持有的资源。
不可剥夺条件 (No Preemption)：资源只能由持有它的事务主动释放，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，…，Tn 等待 T1 持有的资源，形成一个循环等待链。

只要上述四个条件同时满足，死锁就可能发生。

四、InnoDB 死锁检测机制

InnoDB 具有死锁检测机制，可以自动检测死锁并解决。它主要通过以下方式实现：

等待图 (Wait-For Graph)：InnoDB 维护一个等待图，用于跟踪事务之间的等待关系。图中的节点表示事务，边表示事务之间的等待关系。例如，如果事务 A 正在等待事务 B 释放资源，则图中会有一条从事务 A 指向事务 B 的边。
死锁检测算法：InnoDB 定期运行死锁检测算法，检测等待图中是否存在环路。如果存在环路，则表示发生了死锁。
死锁解决：一旦检测到死锁，InnoDB 会选择一个事务作为牺牲品（victim），回滚该事务，释放其持有的所有锁，从而打破死锁。选择牺牲品的标准通常是基于事务的回滚代价，例如事务已经执行的时间、锁定的数据量等。InnoDB 会选择回滚代价最小的事务。

五、死锁检测的配置

InnoDB 提供了几个参数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。如果超过这个时间，事务将回滚。默认值为 50 秒。这个设置可以在一定程度上避免死锁，但不能完全消除死锁，因为死锁可能在等待时间超过超时之前发生。

六、死锁的例子与代码演示

以下是一些可能导致死锁的代码示例，并附带解决方案。

示例 1：不同顺序更新资源

-- 事务 1
START TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
COMMIT;

在这个例子中，如果事务 1 首先锁定了 id = 1 的行，然后尝试锁定 id = 2 的行，而事务 2 首先锁定了 id = 2 的行，然后尝试锁定 id = 1 的行，就会发生死锁。

解决方案：保持一致的加锁顺序

确保所有事务都以相同的顺序锁定资源。

-- 事务 1
START TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1; -- 调整顺序
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2;
COMMIT;

示例 2：长事务持有锁

-- 事务 1 (长事务)
START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE status = 'pending' FOR UPDATE;
-- ... 一些耗时的操作 ...
UPDATE orders SET status = 'processing' WHERE status = 'pending';
COMMIT;

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE orders SET status = 'cancelled' WHERE id = 123;
COMMIT;

如果事务 1 持有 orders 表的锁很长时间，而事务 2 尝试更新同一表中的行，可能会导致死锁。

解决方案：尽量避免长事务，将事务拆分成更小的单元。

-- 事务 1 (拆分后的事务)
START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE status = 'pending' LIMIT 10 FOR UPDATE; -- 每次处理少量订单
-- ... 处理这10个订单 ...
UPDATE orders SET status = 'processing' WHERE id IN (/*10个订单ID*/);
COMMIT;

-- 事务 2 (无变化)
START TRANSACTION;
UPDATE orders SET status = 'cancelled' WHERE id = 123;
COMMIT;

示例 3：使用不同的索引

假设 products 表有 id 和 category_id 两个索引。

-- 事务 1
START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = 100 WHERE id = 1; -- 使用 id 索引
COMMIT;

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = 200 WHERE category_id = 1; -- 使用 category_id 索引
UPDATE products SET price = 200 WHERE id = 1; -- 也更新 id = 1 的记录
COMMIT;

如果事务 2 更新 category_id = 1 的记录时，也包含了 id = 1 的记录，并且在事务 1 更新 id = 1 之后，事务 2 尝试更新 id = 1，就可能发生死锁。因为事务 1 持有了 id = 1 的记录锁，而事务 2 需要更新所有 category_id = 1 的记录，包括 id = 1 的记录。

解决方案：尽量使用相同的索引进行更新，避免多个索引的交叉使用。优化 SQL 查询。

-- 事务 1
START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = 100 WHERE id = 1;
COMMIT;

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = 200 WHERE category_id = 1;
COMMIT;

如果必须更新 id = 1 的记录，可以将事务 2 修改为：

-- 事务 2
START TRANSACTION;
UPDATE products SET price = 200 WHERE category_id = 1;
UPDATE products SET price = 200 WHERE id = 1 AND category_id != 1; --  避免重复更新
COMMIT;

七、如何查看死锁信息

MySQL 提供了几种方法来查看死锁信息：

Error Log：死锁发生时，InnoDB 会将死锁信息写入 MySQL 的错误日志中。这是查看死锁信息的首选方法。错误日志的位置可以通过 log_error 参数配置。
SHOW ENGINE INNODB STATUS：该命令会显示 InnoDB 的各种状态信息，包括最新的死锁信息。在输出结果的 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分可以找到详细的死锁报告。
Performance Schema：MySQL 5.6 及更高版本提供了 Performance Schema，可以用来监控数据库的性能。死锁信息可以通过 events_waits_history_long 表查询。

示例：查看 SHOW ENGINE INNODB STATUS 的输出

SHOW ENGINE INNODB STATUSG

在输出结果中，找到 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分，它会包含类似以下的死锁报告：

------------------------
LATEST DETECTED DEADLOCK
------------------------
2023-10-27 10:00:00 7f77a0000700
*** (1) TRANSACTION:
TRANSACTION 12345, ACTIVE 10 seconds starting index read
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT 4 lock struct(s), heap size 1136, 3 row lock(s)
MySQL thread id 10, OS thread handle 140154220804864, query id 1234 localhost user updating
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE id = 1
*** (1) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 10 page no 100 n bits 72 index PRIMARY of table `mydb`.`accounts` trx id 12345 lock_mode X locks rec but not gap waiting
*** (2) TRANSACTION:
TRANSACTION 54321, ACTIVE 5 seconds starting index read
mysql tables in use 1, locked 1
4 lock struct(s), heap size 1136, 3 row lock(s)
MySQL thread id 20, OS thread handle 140154221845504, query id 5678 localhost user updating
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE id = 2
*** (2) HOLDS THE LOCK(S):
RECORD LOCKS space id 10 page no 100 n bits 72 index PRIMARY of table `mydb`.`accounts` trx id 54321 lock_mode X locks rec but not gap
*** (2) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 10 page no 100 n bits 72 index PRIMARY of table `mydb`.`accounts` trx id 54321 lock_mode X locks rec but not gap waiting
*** WE ROLL BACK TRANSACTION (1)

这个报告包含了两个事务的详细信息，包括事务 ID、执行的 SQL 语句、持有的锁和等待的锁。最后一行表明 InnoDB 回滚了事务 1。

八、避免死锁的最佳实践

保持一致的加锁顺序：这是避免死锁最有效的方法。如果多个事务需要锁定多个资源，确保它们以相同的顺序锁定资源。
尽量避免长事务：长事务会持有锁很长时间，增加死锁的风险。将事务拆分成更小的单元可以减少锁的持有时间。
使用较低的隔离级别：较高的隔离级别（如 SERIALIZABLE）会增加锁的竞争，从而增加死锁的风险。在满足业务需求的前提下，尽量使用较低的隔离级别（如 READ COMMITTED）。
使用索引：使用索引可以减少锁定的范围。如果没有合适的索引，InnoDB 可能会锁定整个表。
避免在同一事务中混合使用读写操作：如果可能，将读操作和写操作分离到不同的事务中。
设置合理的 innodb_lock_wait_timeout 值：如果事务等待锁的时间超过这个值，InnoDB 会回滚该事务。这可以避免事务无限期地等待锁，从而避免死锁。但是，设置过短的超时时间可能会导致事务频繁回滚，影响性能。
监控死锁：定期检查 MySQL 的错误日志，查看是否有死锁发生。如果发现死锁频繁发生，需要分析原因并采取相应的措施。
使用 SELECT ... FOR UPDATE 时要谨慎：SELECT ... FOR UPDATE 会锁定读取的行，增加死锁的风险。只在真正需要锁定行时才使用它。
尽量减少事务的锁定范围：可以通过优化 SQL 语句、使用更精确的查询条件等方式来减少事务的锁定范围。
使用悲观锁或乐观锁：根据业务场景选择合适的锁机制。悲观锁（如 SELECT ... FOR UPDATE）会在事务开始时就锁定资源，而乐观锁则是在提交事务时才检查资源是否被修改。

九、死锁与其他并发问题

死锁是并发问题的一种，其他常见的并发问题包括：

丢失更新 (Lost Update)：当两个或多个事务同时更新同一数据时，可能会发生丢失更新。
脏读 (Dirty Read)：一个事务读取了另一个未提交事务的数据。
不可重复读 (Non-Repeatable Read)：一个事务在多次读取同一数据时，读取到的数据不一致。
幻读 (Phantom Read)：一个事务在多次查询同一范围的数据时，查询到的记录数不一致。

数据库的隔离级别就是为了解决这些并发问题而设计的。

十、死锁预防机制

除了死锁检测，还可以采用死锁预防机制来避免死锁的发生。一些常见的死锁预防机制包括：

资源排序 (Resource Ordering)：为所有资源分配一个唯一的编号，事务必须按照编号的顺序请求资源。
超时机制 (Timeout)：设置一个超时时间，如果事务在等待资源的时间超过这个时间，则回滚该事务。
预分配资源 (Resource Pre-allocation)：在事务开始之前，一次性分配事务所需的所有资源。

这些方法可以有效地预防死锁，但也可能降低系统的并发性。

总结，死锁是并发编程中常见的问题，通过了解InnoDB的锁机制和死锁检测机制，以及采取有效的预防措施，可以最大限度地避免死锁的发生，从而提高数据库应用的健壮性和性能。重要的是，在设计数据库应用时，要充分考虑并发性，并根据具体的业务场景选择合适的锁机制和隔离级别。

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