死锁的根源分析：如何通过 `SHOW ENGINE INNODB STATUS` 报告中的 `LATEST DETECTED DEADLOCK` 追踪锁的竞争路径？ - 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

InnoDB 死锁根源分析：从 `SHOW ENGINE INNODB STATUS` 到锁竞争路径追踪

大家好！今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的死锁问题，以及如何利用 SHOW ENGINE INNODB STATUS 报告中的 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分来追踪死锁的竞争路径。死锁是数据库并发控制中一种常见且棘手的问题，理解其根源并掌握诊断方法，对于构建稳定可靠的数据库应用至关重要。

1. 死锁的概念及产生条件

死锁是指两个或多个事务互相持有对方需要的资源，导致所有事务都无法继续执行的一种僵持状态。InnoDB 提供了死锁检测机制，可以自动回滚代价较小的事务来打破死锁。但是，频繁的死锁不仅影响数据库性能，还可能导致数据一致性问题。

死锁的产生必须满足以下四个必要条件，即 Coffman 条件：

互斥条件 (Mutual Exclusion)： 资源必须以独占方式被持有。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)： 事务已经持有一个资源，但同时又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，不能被强制剥夺，只能由事务自身释放。
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，Tn 等待 T1 持有的资源，形成一个环路。

只有当以上四个条件同时满足时，才会发生死锁。

2. `SHOW ENGINE INNODB STATUS` 与 `LATEST DETECTED DEADLOCK`

SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令提供了关于 InnoDB 存储引擎内部状态的详细信息，包括事务、锁、缓冲池、IO 等等。其中的 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分记录了最近一次检测到的死锁的详细信息。这是我们诊断死锁问题的关键入口。

执行以下 SQL 命令可以获取 InnoDB 状态报告：

SHOW ENGINE INNODB STATUS;

报告中的 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分会包含如下信息：

Timestamp： 死锁发生的时间戳。
Transaction List： 涉及死锁的事务列表，每个事务包含的信息如下：
- TRANSACTION： 事务 ID。
- Thread id： 执行该事务的线程 ID。
- User name： 执行该事务的用户。
- Host name： 执行该事务的主机。
- Connection id： 连接 ID。
- starting： 事务开始执行的 SQL 语句。
- wait for： 事务当前等待的锁类型和资源。
- 持有锁的信息： 事务当前持有的锁类型和资源。
- SQL query： 事务正在执行的 SQL 语句。
Victim： 被选为死锁牺牲品的事务 ID。InnoDB 会回滚该事务来打破死锁。

3. 死锁竞争路径分析：案例演示

让我们通过一个具体的案例来演示如何分析 LATEST DETECTED DEADLOCK 报告，并追踪死锁的竞争路径。

假设我们有以下两张表：

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

CREATE TABLE `transactions` (
  `id` INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  `account_id` INT NOT NULL,
  `amount` DECIMAL(10, 2) NOT NULL,
  FOREIGN KEY (`account_id`) REFERENCES `accounts` (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

-- 插入一些初始数据
INSERT INTO `accounts` (`balance`) VALUES (100.00);
INSERT INTO `accounts` (`balance`) VALUES (200.00);

现在，假设我们有两个并发事务，它们分别执行以下操作：

事务 1：

START TRANSACTION;
UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` - 50.00 WHERE `id` = 1;
UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + 50.00 WHERE `id` = 2;
COMMIT;

事务 2：

START TRANSACTION;
UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` - 30.00 WHERE `id` = 2;
UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + 30.00 WHERE `id` = 1;
COMMIT;

如果这两个事务并发执行，并且它们的 UPDATE 语句按照以下顺序交错执行，就可能发生死锁：

事务 1 获得 accounts 表中 id = 1 的行的 X 锁（排他锁）。
事务 2 获得 accounts 表中 id = 2 的行的 X 锁。
事务 1 尝试获取 accounts 表中 id = 2 的行的 X 锁，但被事务 2 持有，因此进入等待状态。
事务 2 尝试获取 accounts 表中 id = 1 的行的 X 锁，但被事务 1 持有，因此进入等待状态。

此时，事务 1 和事务 2 互相等待对方释放锁，形成死锁。

假设发生了死锁，执行 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令，我们可能会看到类似以下的 LATEST DETECTED DEADLOCK 报告（为了简化，这里只展示关键信息）：

*** (1) TRANSACTION:
TRANSACTION 1234, ACTIVE 0 sec starting index read
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT table `test`.`accounts` index PRIMARY lock mode X waiting
SQL query id 5678 UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + 50.00 WHERE `id` = 2

*** (2) TRANSACTION:
TRANSACTION 5678, ACTIVE 0 sec starting index read
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT table `test`.`accounts` index PRIMARY lock mode X waiting
SQL query id 9012 UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + 30.00 WHERE `id` = 1

*** WE ROLL BACK TRANSACTION (1)

从报告中我们可以看到：

两个事务都处于 LOCK WAIT 状态，等待获取 accounts 表的 PRIMARY 索引上的 X 锁。
事务 1 正在等待 id = 2 的行的锁，事务 2 正在等待 id = 1 的行的锁。
InnoDB 选择了事务 1 作为牺牲品，并回滚了该事务。

通过分析 LATEST DETECTED DEADLOCK 报告，我们可以清晰地看到死锁的竞争路径：

事务 1 持有 accounts 表中 id = 1 的行的 X 锁。
事务 2 持有 accounts 表中 id = 2 的行的 X 锁。
事务 1 尝试获取 accounts 表中 id = 2 的行的 X 锁，被阻塞。
事务 2 尝试获取 accounts 表中 id = 1 的行的 X 锁，被阻塞。
死锁发生。

4. 死锁预防与解决策略

了解死锁的根源后，我们可以采取一些预防和解决策略来降低死锁发生的概率：

保持事务简短： 事务越短，持有锁的时间就越短，发生死锁的概率就越低。
按照相同的顺序访问资源： 如果多个事务需要访问相同的资源，尽量保证它们按照相同的顺序访问，可以避免循环等待。例如，在上面的例子中，可以修改事务，使得它们总是先更新 id = 1 的行，再更新 id = 2 的行。
使用较低的隔离级别： 较低的隔离级别会减少锁的使用，但也可能导致数据一致性问题。需要在性能和数据一致性之间进行权衡。
使用 SELECT ... FOR UPDATE： 在更新数据之前，可以使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句显式地获取行的 X 锁，避免在更新时才发现锁被占用。
设置锁等待超时时间： 通过 innodb_lock_wait_timeout 参数设置锁等待超时时间。如果事务等待锁的时间超过该值，InnoDB 会自动回滚该事务，避免长时间的阻塞。
优化索引设计： 合理的索引设计可以减少锁的范围，提高并发性能，降低死锁发生的概率。
使用乐观锁： 乐观锁是一种无锁并发控制策略，它假设冲突很少发生，并在更新数据时检查数据是否被修改过。如果数据被修改过，则更新失败，需要重新尝试。乐观锁可以避免死锁，但也可能导致更新失败的重试。
代码层面避免长时间持有锁： 在业务代码中，尽量避免在长时间的业务逻辑中持有数据库锁。可以在需要的时候加锁，完成操作后立即释放锁。

4.1 案例重现以及预防方案

为了更直观的演示，我们使用 Python 代码模拟上述死锁场景，并展示如何使用 SELECT ... FOR UPDATE 预防死锁。

import mysql.connector

# 数据库连接配置
config = {
    'user': 'your_user',
    'password': 'your_password',
    'host': 'localhost',
    'database': 'test',
    'raise_on_warnings': True
}

def transfer_funds(account1_id, account2_id, amount):
    """
    模拟转账操作，可能导致死锁。
    """
    try:
        conn = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = conn.cursor()

        # 事务开始
        conn.start_transaction()

        # 更新账户余额
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` - %s WHERE `id` = %s", (amount, account1_id))
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + %s WHERE `id` = %s", (amount, account2_id))

        # 提交事务
        conn.commit()
        print(f"成功从账户 {account1_id} 转账 {amount} 到账户 {account2_id}")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"发生错误: {err}")
        conn.rollback()
    finally:
        if conn.is_connected():
            cursor.close()
            conn.close()

def transfer_funds_with_lock(account1_id, account2_id, amount):
    """
    使用 SELECT ... FOR UPDATE 预防死锁的转账操作。
    """
    try:
        conn = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = conn.cursor()

        # 事务开始
        conn.start_transaction()

        # 使用 SELECT ... FOR UPDATE 获取行锁，并按照 account_id 的顺序锁定
        if account1_id < account2_id:
            lock_order = (account1_id, account2_id)
        else:
            lock_order = (account2_id, account1_id)

        for account_id in lock_order:
            cursor.execute("SELECT `balance` FROM `accounts` WHERE `id` = %s FOR UPDATE", (account_id,))
            # 这里可以读取余额，但是主要目的是为了获取行锁

        # 更新账户余额
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` - %s WHERE `id` = %s", (amount, account1_id))
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + %s WHERE `id` = %s", (amount, account2_id))

        # 提交事务
        conn.commit()
        print(f"成功从账户 {account1_id} 转账 {amount} 到账户 {account2_id} (使用锁)")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"发生错误: {err}")
        conn.rollback()
    finally:
        if conn.is_connected():
            cursor.close()
            conn.close()

# 模拟并发执行
import threading

# 使用可能导致死锁的函数
# thread1 = threading.Thread(target=transfer_funds, args=(1, 2, 50.00))
# thread2 = threading.Thread(target=transfer_funds, args=(2, 1, 30.00))

# 使用预防死锁的函数
thread1 = threading.Thread(target=transfer_funds_with_lock, args=(1, 2, 50.00))
thread2 = threading.Thread(target=transfer_funds_with_lock, args=(2, 1, 30.00))

thread1.start()
thread2.start()

thread1.join()
thread2.join()

print("转账操作完成")

在这个代码中，transfer_funds 函数模拟了可能导致死锁的转账操作，而 transfer_funds_with_lock 函数则使用了 SELECT ... FOR UPDATE 语句，并按照 account_id 的顺序锁定行，从而避免了死锁的发生。通过注释的切换，可以模拟死锁的发生，并且观察死锁产生时候 show engine innodb status 的输出，以及使用 SELECT ... FOR UPDATE 之后的输出。

4.2 使用一致的顺序进行锁定

如果不是所有场景都能方便的使用 SELECT ... FOR UPDATE ，我们可以通过约定一致的锁定顺序来避免死锁。例如，修改 transfer_funds 函数，使其总是先锁定 ID 较小的账户：

def transfer_funds_ordered(account1_id, account2_id, amount):
    """
    模拟转账操作，按照账户 ID 排序锁定，避免死锁。
    """
    try:
        conn = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = conn.cursor()

        # 事务开始
        conn.start_transaction()

        # 按照 account_id 的顺序锁定
        if account1_id < account2_id:
            first_account_id = account1_id
            second_account_id = account2_id
        else:
            first_account_id = account2_id
            second_account_id = account1_id

        # 更新账户余额
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` - %s WHERE `id` = %s", (amount, first_account_id if first_account_id == account1_id else -amount, account1_id))
        cursor.execute("UPDATE `accounts` SET `balance` = `balance` + %s WHERE `id` = %s", (amount, second_account_id if second_account_id == account2_id else -amount, account2_id))

        # 提交事务
        conn.commit()
        print(f"成功从账户 {account1_id} 转账 {amount} 到账户 {account2_id} (排序锁定)")

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"发生错误: {err}")
        conn.rollback()
    finally:
        if conn.is_connected():
            cursor.close()
            conn.close()

这个版本的 transfer_funds_ordered 函数总是先锁定 ID 较小的账户，从而避免了循环等待，预防了死锁。

5. 其他死锁检测方法

除了 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令，还可以使用以下方法来检测死锁：

MySQL Enterprise Monitor： MySQL Enterprise Monitor 提供了图形化的界面，可以实时监控数据库的性能和健康状况，包括死锁的检测和报警。
Performance Schema： Performance Schema 提供了更细粒度的性能监控数据，可以用于分析锁的竞争情况，帮助诊断死锁问题。可以开启wait/lock/ 相关的 instrument ，然后查询相关的事件表，来分析锁等待。
第三方监控工具： 许多第三方数据库监控工具也提供了死锁检测和报警功能。

6. 总结：诊断，预防，解决

总而言之，SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令中的 LATEST DETECTED DEADLOCK 部分是诊断 InnoDB 死锁问题的关键入口。通过分析报告中的事务信息、锁等待信息和 SQL 语句，我们可以追踪死锁的竞争路径，找到死锁的根源。然后，可以采取一系列预防和解决策略，例如保持事务简短、按照相同的顺序访问资源、使用 SELECT ... FOR UPDATE 等，来降低死锁发生的概率，确保数据库的稳定性和可靠性。

InnoDB 死锁根源分析：从 SHOW ENGINE INNODB STATUS 到锁竞争路径追踪