`MySQL`的`并发`控制：`锁`、`事务`和`隔离级别`的`协同`工作`流程`。 - 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 并发控制：锁、事务和隔离级别的协同工作流程

各位朋友，大家好！今天我们来深入探讨 MySQL 中并发控制的核心机制：锁、事务和隔离级别。这三者不是孤立存在的，而是相互协作，共同保障数据库在高并发环境下数据的一致性和完整性。我会以讲座的形式，结合实际案例和代码，详细讲解它们的工作原理以及如何协同工作。

1. 并发控制的必要性

在多用户、高并发的应用场景下，多个客户端可能同时对数据库进行读写操作。如果没有适当的并发控制机制，就会出现以下问题：

丢失更新（Lost Update）： 多个事务读取同一数据，然后各自修改并提交，后提交的事务覆盖了先提交事务的修改。
脏读（Dirty Read）： 一个事务读取了另一个事务尚未提交的数据。如果后一个事务回滚，那么第一个事务读取到的就是无效数据。
不可重复读（Non-Repeatable Read）： 在同一个事务中，多次读取同一数据，由于其他事务的修改和提交，导致每次读取的结果不一致。
幻读（Phantom Read）： 在同一个事务中，按照相同的查询条件多次查询，由于其他事务的插入操作，导致每次查询的结果集数量不一致。

这些问题会导致数据不一致，严重影响应用的正确性。因此，并发控制是数据库系统必须具备的核心功能。

2. 锁：并发控制的基础

锁是 MySQL 实现并发控制的基础机制。锁可以分为多种类型，最常见的两种是：

共享锁（Shared Lock，S Lock）： 允许事务读取数据，但不允许修改数据。多个事务可以同时持有同一数据的共享锁。
排他锁（Exclusive Lock，X Lock）： 允许事务读取和修改数据，但不允许其他事务持有该数据的任何锁（包括共享锁和排他锁）。

MySQL 中锁的粒度可以分为：

表锁（Table Lock）： 锁住整个表。开销小，加锁速度快，但并发性能低。
行锁（Row Lock）： 锁住表中的特定行。并发性能高，但开销大，加锁速度慢。

InnoDB 存储引擎支持行锁，这也是它在高并发场景下表现出色的重要原因之一。

2.1 行锁的实现

InnoDB 行锁是通过索引实现的。也就是说，只有通过索引访问数据时，才会使用行锁。如果没有使用索引，InnoDB 会使用表锁。

2.1.1 共享锁和排他锁的加锁方式

显式加锁：
- SELECT ... LOCK IN SHARE MODE; 对读取的数据加上共享锁。
- SELECT ... FOR UPDATE; 对读取的数据加上排他锁。
隐式加锁： 当执行 UPDATE、DELETE、INSERT 等语句时，InnoDB 会自动对涉及的行加上排他锁。

2.2 死锁

死锁是指两个或多个事务互相等待对方释放锁，导致所有事务都无法继续执行的情况。

2.2.1 死锁的产生条件

死锁的产生通常需要满足以下四个条件（Coffman 条件）：

互斥条件： 资源一次只能被一个事务持有。
持有并等待条件： 一个事务持有至少一个资源，并等待获取其他事务持有的资源。
不可剥夺条件： 事务已经获得的资源，在未使用完之前不能被剥夺。
循环等待条件： 存在一个事务的等待链，链中的每个事务都在等待下一个事务释放资源。

2.2.2 死锁的避免和解决

避免死锁：
- 按固定顺序访问资源： 确保所有事务都按照相同的顺序访问资源，可以打破循环等待条件。
- 一次性申请所有资源： 事务在开始时申请所有需要的资源，可以避免持有并等待条件。
- 设置锁的超时时间： 如果事务等待锁的时间超过设定的阈值，就放弃等待，可以避免死锁的发生。
解决死锁：
- 死锁检测： 数据库系统定期检测是否存在死锁，如果发现死锁，就选择一个事务进行回滚，释放其持有的资源，从而打破死锁。InnoDB 存储引擎就具备死锁检测机制。

2.3 锁的案例分析

假设我们有一个 accounts 表，包含 id 和 balance 两个字段，分别表示账户 ID 和账户余额。

CREATE TABLE accounts (
  id INT PRIMARY KEY,
  balance DECIMAL(10, 2)
);

INSERT INTO accounts (id, balance) VALUES (1, 1000.00);
INSERT INTO accounts (id, balance) VALUES (2, 500.00);

案例 1：转账操作

假设有两个事务需要执行以下操作：

事务 A：从账户 1 转账 200.00 到账户 2。
事务 B：从账户 2 转账 100.00 到账户 1。

如果没有锁的保护，可能会出现以下情况：

事务 A 读取账户 1 的余额（1000.00）。
事务 B 读取账户 2 的余额（500.00）。
事务 A 将账户 1 的余额更新为 800.00（1000.00 – 200.00）。
事务 B 将账户 2 的余额更新为 400.00（500.00 – 100.00）。
事务 A 读取账户 2 的余额（500.00）。
事务 B 读取账户 1 的余额（1000.00）。
事务 A 将账户 2 的余额更新为 700.00（500.00 + 200.00）。
事务 B 将账户 1 的余额更新为 1100.00（1000.00 + 100.00）。

最终，账户 1 的余额为 1100.00，账户 2 的余额为 700.00，总余额为 1800.00，与初始余额 1500.00 不符，发生了数据不一致。

为了解决这个问题，我们可以使用行锁：

-- 事务 A
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 对账户 1 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance - 200.00 WHERE id = 1;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE; -- 对账户 2 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance + 200.00 WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 事务 B
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE; -- 对账户 2 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance - 100.00 WHERE id = 2;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 对账户 1 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance + 100.00 WHERE id = 1;
COMMIT;

在这个例子中，我们使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句对涉及的行加上排他锁，确保在事务完成之前，其他事务无法修改这些行，从而避免了丢失更新的问题。但是，按照这个顺序执行，可能会产生死锁，事务A持有了账户1的排他锁，等待账户2的排他锁，事务B持有了账户2的排他锁，等待账户1的排他锁。要避免死锁，需要按照相同的顺序加锁：

-- 事务 A
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 对账户 1 加排他锁
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE; -- 对账户 2 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance - 200.00 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 200.00 WHERE id = 2;
COMMIT;

-- 事务 B
START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 1 FOR UPDATE; -- 对账户 1 加排他锁
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 2 FOR UPDATE; -- 对账户 2 加排他锁
UPDATE accounts SET balance = balance + 100.00 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance - 100.00 WHERE id = 2;
COMMIT;

案例 2：统计账户总余额

假设我们需要统计所有账户的总余额。如果使用以下语句：

SELECT SUM(balance) FROM accounts;

在高并发环境下，可能会出现以下问题：

事务 A 读取一部分账户的余额。
事务 B 修改了其中一个账户的余额。
事务 A 继续读取剩余账户的余额。

最终，事务 A 统计的总余额可能是不准确的。

为了解决这个问题，我们可以使用表锁：

LOCK TABLE accounts READ;
SELECT SUM(balance) FROM accounts;
UNLOCK TABLES;

在这个例子中，我们使用 LOCK TABLE 语句对 accounts 表加上共享锁，确保在统计完成之前，其他事务无法修改 accounts 表，从而保证了统计结果的准确性。但是，表锁会阻塞其他事务对 accounts 表的写入操作，影响并发性能。

一种更好的方法是使用事务和隔离级别。

3. 事务：保证操作的原子性、一致性、隔离性和持久性

事务是数据库操作的逻辑单元，它要么全部执行成功，要么全部执行失败。事务具有四个关键特性，通常被称为 ACID 特性：

原子性（Atomicity）： 事务中的所有操作要么全部执行，要么全部不执行，不存在部分执行的情况。
一致性（Consistency）： 事务执行前后，数据库的状态必须保持一致。也就是说，事务必须满足预定义的完整性约束。
隔离性（Isolation）： 多个事务并发执行时，每个事务都应该感觉不到其他事务的存在。事务之间的隔离程度由隔离级别决定。
持久性（Durability）： 事务一旦提交，其修改的结果就应该永久保存在数据库中，即使系统发生故障也不会丢失。

3.1 事务的开始和结束

显式事务：

START TRANSACTION;  -- 开始事务
-- 执行 SQL 语句
COMMIT;            -- 提交事务
-- 或者
ROLLBACK;          -- 回滚事务

隐式事务：

如果 autocommit 设置为 OFF，则每个 SQL 语句都会自动作为一个事务开始。

3.2 事务的案例分析

以上面的转账操作为例，我们可以使用事务来保证操作的原子性：

START TRANSACTION;
UPDATE accounts SET balance = balance - 200.00 WHERE id = 1;
UPDATE accounts SET balance = balance + 200.00 WHERE id = 2;
COMMIT;

在这个例子中，如果第一个 UPDATE 语句执行成功，但第二个 UPDATE 语句执行失败，那么事务会自动回滚，撤销第一个 UPDATE 语句的修改，保证了操作的原子性。

4. 隔离级别：控制事务之间的隔离程度

隔离级别定义了事务之间互相隔离的程度。MySQL 支持四种隔离级别，从弱到强依次为：

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读
READ UNCOMMITTED	是	是	是
READ COMMITTED	否	是	是
REPEATABLE READ	否	否	是
SERIALIZABLE	否	否	否

READ UNCOMMITTED（读未提交）： 允许事务读取其他事务尚未提交的数据。这是隔离级别最低的级别，几乎不提供任何并发控制，可能导致脏读、不可重复读和幻读。
READ COMMITTED（读已提交）： 允许事务读取其他事务已经提交的数据。可以避免脏读，但仍然可能导致不可重复读和幻读。大多数数据库系统的默认隔离级别是 READ COMMITTED。
REPEATABLE READ（可重复读）： 保证在同一个事务中，多次读取同一数据的结果是一致的。可以避免脏读和不可重复读，但仍然可能导致幻读。MySQL InnoDB 存储引擎的默认隔离级别是 REPEATABLE READ。
SERIALIZABLE（串行化）： 强制事务串行执行，完全避免并发问题。这是隔离级别最高的级别，但并发性能最低。

4.1 隔离级别的设置

可以使用以下语句设置隔离级别：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED;
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;

4.2 隔离级别的案例分析

假设我们有一个 products 表，包含 id 和 quantity 两个字段，分别表示产品 ID 和产品数量。

CREATE TABLE products (
  id INT PRIMARY KEY,
  quantity INT
);

INSERT INTO products (id, quantity) VALUES (1, 10);

案例 1：READ COMMITTED 隔离级别

事务 A：

START TRANSACTION;
SELECT quantity FROM products WHERE id = 1; -- 读取 quantity = 10
-- 暂停一段时间
SELECT quantity FROM products WHERE id = 1; -- 读取 quantity = 20
COMMIT;

事务 B：

START TRANSACTION;
UPDATE products SET quantity = 20 WHERE id = 1;
COMMIT;

在 READ COMMITTED 隔离级别下，事务 A 在两次读取之间，事务 B 修改了 products 表，并提交了事务。因此，事务 A 两次读取的结果不一致，发生了不可重复读。

案例 2：REPEATABLE READ 隔离级别

事务 A：

START TRANSACTION;
SELECT quantity FROM products WHERE id = 1; -- 读取 quantity = 10
-- 暂停一段时间
SELECT quantity FROM products WHERE id = 1; -- 读取 quantity = 10
COMMIT;

事务 B：

START TRANSACTION;
UPDATE products SET quantity = 20 WHERE id = 1;
COMMIT;

在 REPEATABLE READ 隔离级别下，事务 A 在两次读取之间，事务 B 修改了 products 表，并提交了事务。但是，事务 A 两次读取的结果仍然是一致的，都是 10。这是因为 InnoDB 存储引擎使用了 MVCC（Multi-Version Concurrency Control，多版本并发控制）机制，为每个事务创建了一个快照，事务只能读取自己快照中的数据。

案例 3：幻读

事务 A:

START TRANSACTION;
SELECT * FROM products WHERE quantity > 5; -- 假设返回一行数据 (id=1, quantity=10)
-- 暂停一段时间
SELECT * FROM products WHERE quantity > 5; -- 假设返回两行数据 (id=1, quantity=10), (id=2, quantity=15)
COMMIT;

事务 B:

START TRANSACTION;
INSERT INTO products (id, quantity) VALUES (2, 15);
COMMIT;

在 REPEATABLE READ 隔离级别下，事务 A 在两次查询之间，事务 B 插入了一条满足查询条件的新数据。因此，事务 A 两次查询的结果集数量不一致，发生了幻读。虽然InnoDB使用MVCC避免了不可重复读，但对于范围查询，仍然无法避免幻读。

5. 锁、事务和隔离级别的协同工作流程

锁、事务和隔离级别是 MySQL 并发控制的三大支柱，它们协同工作，共同保障数据库在高并发环境下数据的一致性和完整性。

锁是基础： 锁是实现并发控制的基础机制。通过对数据加锁，可以防止多个事务同时修改同一数据，避免丢失更新等问题。
事务是逻辑单元： 事务保证了操作的原子性、一致性、隔离性和持久性。事务可以将多个操作组合成一个逻辑单元，要么全部执行成功，要么全部执行失败，保证了数据的完整性。
隔离级别控制隔离程度： 隔离级别定义了事务之间互相隔离的程度。通过设置合适的隔离级别，可以避免脏读、不可重复读和幻读等问题，同时兼顾并发性能。

5.1 一个完整的例子

假设我们需要实现一个简单的银行转账系统，包含以下操作：

检查转出账户的余额是否足够。
从转出账户扣除转账金额。
向转入账户增加转账金额。

我们可以使用事务和行锁来实现这个操作：

START TRANSACTION;
SELECT balance FROM accounts WHERE id = 转出账户ID FOR UPDATE; -- 获取转出账户余额并加锁
-- 检查余额是否足够
IF (余额 >= 转账金额) THEN
    UPDATE accounts SET balance = balance - 转账金额 WHERE id = 转出账户ID;
    UPDATE accounts SET balance = balance + 转账金额 WHERE id = 转入账户ID;
    COMMIT;
ELSE
    ROLLBACK; -- 余额不足，回滚事务
END IF;

在这个例子中，我们使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句对转出账户加锁，防止其他事务同时修改转出账户的余额。然后，我们检查转出账户的余额是否足够，如果足够，就执行转账操作，并提交事务。如果余额不足，就回滚事务。通过事务和行锁的协同工作，我们保证了转账操作的原子性、一致性和隔离性。

6. 隔离级别选择的考量

选择合适的隔离级别需要在数据一致性和并发性能之间进行权衡。

SERIALIZABLE： 提供最高的隔离级别，但并发性能最低，通常只在对数据一致性要求极高的场景下使用。
REPEATABLE READ： 是 MySQL InnoDB 存储引擎的默认隔离级别，可以避免脏读和不可重复读，但仍然可能导致幻读。适用于对数据一致性要求较高，且并发量不是特别高的场景。
READ COMMITTED： 可以避免脏读，但仍然可能导致不可重复读和幻读。适用于对数据一致性要求不是特别高，且需要较高的并发性能的场景。
READ UNCOMMITTED： 提供最低的隔离级别，并发性能最高，但可能导致脏读、不可重复读和幻读。通常不建议使用。

在实际应用中，可以根据具体的业务需求选择合适的隔离级别。例如，对于银行转账等对数据一致性要求极高的场景，可以选择 SERIALIZABLE 隔离级别。对于论坛发帖等对数据一致性要求不是特别高的场景，可以选择 READ COMMITTED 隔离级别。

7. 总结

我们今天深入探讨了 MySQL 并发控制的核心机制：锁、事务和隔离级别。锁是基础，事务保证了操作的 ACID 特性，隔离级别控制了事务之间的隔离程度。理解并熟练掌握这三者的协同工作流程，对于构建高并发、高可靠的 MySQL 应用至关重要。希望今天的讲解对大家有所帮助！

8. 最后的建议

深入理解锁的类型和粒度，根据实际情况选择合适的锁策略。
合理使用事务，保证操作的原子性、一致性、隔离性和持久性。
根据业务需求选择合适的隔离级别，在数据一致性和并发性能之间进行权衡。
关注死锁问题，采取有效的避免和解决措施。
多实践，多思考，不断提升对 MySQL 并发控制的理解和应用能力。

MySQL 并发控制：锁、事务和隔离级别的协同工作流程

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