MySQL的锁：在`READ COMMITTED`隔离级别下，如何利用`record locks`与`gap locks`防止幻读？ - 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 `READ COMMITTED` 隔离级别下的 Record Locks 与 Gap Locks 防幻读机制

大家好！今天我们来深入探讨一个MySQL中非常重要的话题：在READ COMMITTED隔离级别下，如何利用 record locks 与 gap locks 来防止幻读现象。

1. 幻读的本质与 READ COMMITTED 的挑战

首先，我们需要明确什么是幻读。幻读是指在同一事务中，按照相同的查询条件，连续读取数据时，第二次读取到了第一次没有读取到的数据行，仿佛出现了“幻影”。这通常发生在并发的 INSERT 或 DELETE 操作之后。

在 READ COMMITTED 隔离级别下，一个事务只能读取到已经提交的数据。这意味着，如果一个事务在读取数据的过程中，另一个事务插入了新的数据并提交了，那么第一个事务再次读取时，就可能看到这些新插入的数据，从而产生幻读。

READ COMMITTED 级别相对于 REPEATABLE READ 级别而言，最大的区别在于它允许读取其他事务已提交的修改。这提高了并发性，但同时也带来了幻读的风险。

2. Record Locks：锁定现有记录

Record Locks，顾名思义，是针对数据库表中特定记录的锁。当一个事务对某行数据进行修改（如 UPDATE 或 DELETE）时，MySQL 会在该行上加上一个 Record Lock，防止其他事务同时修改该行。

例如，考虑以下场景：

-- 事务 A
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE salary > 50000 FOR UPDATE;
-- 此处事务 A 持有满足 salary > 50000 条件的行的 Record Lock

-- 事务 B
START TRANSACTION;
UPDATE employees SET salary = salary * 1.1 WHERE employee_id = 123; -- 假设 employee_id=123 的员工的 salary 满足 salary > 50000

-- 如果 employee_id=123 的员工被事务 A 锁住，事务 B 将被阻塞，直到事务 A 释放锁。

FOR UPDATE 语句会在查询到的记录上加上 Record Lock，阻止其他事务修改这些记录。但是，Record Lock 只能阻止对现有记录的修改，无法阻止新记录的插入，因此无法单独防止幻读。

3. Gap Locks：锁定间隙，防止插入

Gap Locks 是针对索引记录之间的间隙的锁。它的作用是阻止其他事务在这些间隙中插入新的记录，从而防止幻读。 Gap Locks 本身并不锁定记录，而是锁定索引记录之间的范围。

Gap Locks 的主要目的是解决幻读问题。它与其他类型的锁不同，不是为了保护数据的完整性，而是为了保证事务隔离级别。

考虑以下情况：

-- 事务 A
START TRANSACTION;
SELECT * FROM employees WHERE salary > 50000 FOR UPDATE;
-- 事务 A 持有满足 salary > 50000 条件的行的 Record Lock 和 Gap Lock

-- 事务 B
START TRANSACTION;
INSERT INTO employees (employee_id, name, salary) VALUES (456, 'New Employee', 60000);

-- 事务 B 将被阻塞，因为插入的新记录的 salary 也满足 salary > 50000，并且该范围被事务 A 的 Gap Lock 锁定。

在这个例子中，即使 employees 表中没有 salary 等于 55000 的记录，事务 A 也会在 salary 大于 50000 的范围内加上 Gap Lock，阻止事务 B 插入 salary 大于 50000 的新记录。

4. Next-Key Locks：Record Locks + Gap Locks

在实际使用中，MySQL 通常使用 Next-Key Locks，它是 Record Locks 和 Gap Locks 的组合。 Next-Key Lock 锁定记录本身以及该记录之前的间隙。这种机制能够有效地防止幻读，因为它不仅阻止了对现有记录的修改，还阻止了在锁定范围内的插入操作。

举例来说，如果 employees 表的 salary 字段上有索引，并且表中存在以下 salary 值：

20000, 30000, 40000, 50000, 60000, 70000

当执行以下语句时：

SELECT * FROM employees WHERE salary > 50000 FOR UPDATE;

MySQL 会在 salary 大于 50000 的记录上加上 Next-Key Locks，具体如下：

Record Lock：锁定 salary 为 60000 和 70000 的记录。
Gap Lock：锁定 (50000, 60000) 和 (60000, 70000) 之间的间隙，以及 (70000, +∞) 这个无限大的区间.

这样，任何试图在这些间隙中插入新记录的事务都会被阻塞，从而防止幻读。

5. READ COMMITTED 下防幻读的原理：结合 Record Locks 和 Gap Locks

在 READ COMMITTED 隔离级别下，MySQL 通过结合 Record Locks 和 Gap Locks (通常表现为 Next-Key Locks) 来实现对幻读的有效防御，虽然不如 REPEATABLE READ 级别那样彻底。关键在于 FOR UPDATE 或 LOCK IN SHARE MODE 这类语句的使用，它们触发了锁机制。

让我们通过一个更详细的例子来说明：

假设我们有 orders 表，包含 order_id (主键), customer_id, 和 order_amount 字段。

CREATE TABLE orders (
    order_id INT PRIMARY KEY,
    customer_id INT,
    order_amount DECIMAL(10, 2)
);

INSERT INTO orders (order_id, customer_id, order_amount) VALUES
(1, 101, 100.00),
(2, 102, 200.00),
(3, 101, 150.00),
(4, 103, 250.00);

CREATE INDEX idx_customer_id ON orders (customer_id); -- 为 customer_id 创建索引

现在，考虑两个并发事务：

事务 A：

START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE customer_id = 101 FOR UPDATE;
-- 此处事务 A 持有针对 customer_id = 101 的 Record Locks 和 Gap Locks
--  - Record Locks: 锁定 order_id 为 1 和 3 的记录
--  - Gap Locks:  锁定索引 customer_id 上 (100, 101), (101, 102) 之间的间隙，以及 (101,+∞) 这个无限大的区间
--  (假设表里面没有其他 customer_id 值介于101和102之间，比如没有101.5这个值)

-- 事务 A 执行一些操作...
COMMIT;

事务 B：

START TRANSACTION;
INSERT INTO orders (order_id, customer_id, order_amount) VALUES (5, 101, 300.00);

-- 事务 B 会被阻塞，直到事务 A 释放锁
COMMIT;

在这个例子中，事务 A 使用 FOR UPDATE 语句锁定了 customer_id 为 101 的所有订单。由于我们在 customer_id 上创建了索引，MySQL 会利用索引来加速查询和锁定。这意味着，MySQL 会在 customer_id 索引上加上 Next-Key Locks，锁定 customer_id = 101 的现有记录（order_id=1 和 order_id=3）以及相应的间隙。因此，事务 B 试图插入一个新的 customer_id 为 101 的订单时，会被事务 A 的 Gap Lock 阻塞，从而防止了幻读。

如果没有 customer_id 索引，MySQL 可能会执行全表扫描，并在所有记录上加上锁，这将严重影响并发性能。

6. LOCK IN SHARE MODE 共享锁

除了 FOR UPDATE， LOCK IN SHARE MODE 也可以用于防止幻读，虽然它的使用场景略有不同。 LOCK IN SHARE MODE 允许其他事务读取被锁定的记录，但不允许修改或删除。

-- 事务 C
START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE customer_id = 101 LOCK IN SHARE MODE;
-- 事务 C 持有 customer_id = 101 的共享锁

-- 事务 D
START TRANSACTION;
INSERT INTO orders (order_id, customer_id, order_amount) VALUES (6, 101, 400.00);

-- 事务 D 会被阻塞，因为事务 C 持有 customer_id = 101 的共享锁，阻止了插入操作。

-- 事务 E
START TRANSACTION;
SELECT * FROM orders WHERE customer_id = 101 LOCK IN SHARE MODE;

--事务 E 可以成功获取 customer_id = 101 的共享锁, 因为多个事务可以同时持有共享锁。

LOCK IN SHARE MODE 主要用于读取数据，并确保在读取期间数据不会被其他事务修改或删除。它也可以防止幻读，因为它可以阻止其他事务插入新的记录。

7. 锁的释放时机

在 READ COMMITTED 隔离级别下，锁通常在语句执行完成后立即释放。这意味着，即使在同一个事务中，不同的语句之间也可能发生幻读。 REPEATABLE READ 隔离级别则会持有锁直到事务结束。

8. 避免死锁

在使用锁时，需要特别注意避免死锁。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。

以下是一些避免死锁的常用方法：

按照相同的顺序访问资源： 确保所有事务都按照相同的顺序访问数据库资源，以避免循环等待。
使用短事务： 尽量缩短事务的执行时间，减少锁的持有时间。
设置锁超时： 为锁设置超时时间，当事务等待锁的时间超过超时时间时，自动释放锁，防止死锁。
使用 SELECT ... FOR UPDATE 时，尽量缩小锁定范围： 只锁定需要修改的记录，避免锁定不必要的资源。

9. 锁的粒度与性能

锁的粒度是指锁定的资源的大小。锁的粒度越小，并发性越高，但锁的管理开销也越大。反之，锁的粒度越大，并发性越低，但锁的管理开销也越小。

MySQL 提供了多种锁粒度，包括表锁、行锁和页锁。行锁的粒度最小，并发性最高，但锁的管理开销也最大。表锁的粒度最大，并发性最低，但锁的管理开销也最小。

10. 实际案例分析

假设有一个电商网站，需要处理用户的订单。以下是一个可能的场景：

用户 A 下单，系统需要在 orders 表中插入一条新记录。
同时，系统需要更新 products 表中对应商品的库存。
为了保证数据的一致性，我们需要使用事务来处理这些操作。

以下是一个可能的实现：

START TRANSACTION;

-- 1. 插入订单记录
INSERT INTO orders (order_id, user_id, product_id, quantity) VALUES (123, 456, 789, 2);

-- 2. 更新商品库存
UPDATE products SET stock = stock - 2 WHERE product_id = 789;

COMMIT;

为了防止并发问题，我们可以使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句来锁定需要更新的商品记录：

START TRANSACTION;

-- 1. 锁定商品记录
SELECT stock FROM products WHERE product_id = 789 FOR UPDATE;

-- 2. 检查库存是否足够
SELECT stock FROM products WHERE product_id = 789;
IF (stock >= 2) THEN
    -- 3. 插入订单记录
    INSERT INTO orders (order_id, user_id, product_id, quantity) VALUES (123, 456, 789, 2);

    -- 4. 更新商品库存
    UPDATE products SET stock = stock - 2 WHERE product_id = 789;

    COMMIT;
ELSE
    ROLLBACK;
END IF;

在这个例子中，我们首先使用 SELECT ... FOR UPDATE 语句锁定了 products 表中 product_id 为 789 的记录。这样，其他事务就无法同时更新该商品的库存，从而保证了数据的一致性。

11. 表格总结

锁类型	描述	作用	适用场景
Record Locks	锁定数据库表中的特定记录。	防止其他事务修改或删除被锁定的记录。	修改现有数据时，例如 `UPDATE` 或 `DELETE` 操作。
Gap Locks	锁定索引记录之间的间隙。	防止其他事务在间隙中插入新的记录，从而防止幻读。	需要防止幻读的场景，例如在特定范围内查询数据时。
Next-Key Locks	锁定记录本身以及该记录之前的间隙 (Record Locks + Gap Locks)。	同时防止对现有记录的修改和在间隙中插入新记录，更有效地防止幻读。	大部分需要防止幻读的场景，是MySQL `REPEATABLE READ` 隔离级别下默认使用的锁机制。 `READ COMMITTED` 下需要显式使用 `FOR UPDATE` 才能触发。
Shared Locks	允许其他事务读取被锁定的记录，但不允许修改或删除。	允许多个事务同时读取数据，但不允许修改或删除。	读取数据，并确保在读取期间数据不会被其他事务修改或删除。

12. READ COMMITTED 并非万能，代码层面的防御仍然重要

即使使用了 Record Locks 和 Gap Locks，READ COMMITTED 隔离级别仍然存在一些潜在的幻读风险，尤其是在复杂的业务场景下。因此，除了数据库层面的锁机制，代码层面的防御也至关重要。例如，我们可以使用乐观锁或悲观锁来控制并发访问，或者在业务逻辑中增加额外的校验，以确保数据的一致性。

一些最佳实践

尽可能使用索引： 索引可以加速查询和锁定，提高并发性能。
尽量缩小锁定范围： 只锁定需要修改的记录，避免锁定不必要的资源。
使用短事务： 尽量缩短事务的执行时间，减少锁的持有时间。
避免长时间持有锁： 尽量避免长时间持有锁，特别是在高并发的场景下。

总而言之，READ COMMITTED 隔离级别下，Record Locks 和 Gap Locks 结合使用可以有效地防止幻读，但需要结合具体的业务场景和代码实现，才能达到最佳的效果。

总结

在 READ COMMITTED 隔离级别下，虽然不像 REPEATABLE READ 那样具有天然的幻读保护，但通过 Record Locks 与 Gap Locks 结合使用，依然可以在一定程度上缓解幻读问题。关键在于理解 FOR UPDATE 等语句的作用，并在必要时显式地利用这些锁机制来保护数据一致性。

MySQL READ COMMITTED 隔离级别下的 Record Locks 与 Gap Locks 防幻读机制

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