MySQL的`MDL`（`Metadata Lock`）：在`DDL`操作时如何防止死锁？

MySQL MDL 死锁预防：一场代码与锁的博弈

大家好，今天我们来聊聊 MySQL 中一个比较棘手的问题：元数据锁（Metadata Lock，MDL）导致的死锁，以及如何在 DDL 操作时有效地预防它们。MDL 是一种用于保护数据库对象元数据的锁机制，防止并发的 DDL 和 DML 操作破坏数据一致性。虽然它本身旨在提高并发安全，但如果使用不当，反而容易造成死锁，导致数据库服务不可用。

1. MDL 机制简介

MDL 用于保护数据库对象的元数据，例如表结构、索引定义等。它在以下场景会被自动加锁：

• DDL 操作: ALTER TABLE, DROP TABLE, CREATE INDEX 等。
• DML 操作: SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE 等。
• 存储过程和触发器: 在执行过程中访问表时。

MDL 的锁模式主要有以下几种：

锁模式	兼容性
MDL_SHARED	多个会话可以同时持有，用于读取表结构，例如 SELECT 语句。
MDL_SHARED_READ	多个会话可以同时持有，允许读取表结构，但不允许修改，例如 SELECT FOR UPDATE。
MDL_SHARED_WRITE	允许读写表结构，例如 INSERT, UPDATE, DELETE 语句，与 MDL_SHARED 不兼容。
MDL_EXCLUSIVE	只有一个会话可以持有，用于修改表结构，例如 ALTER TABLE, DROP TABLE，与所有其他 MDL 锁模式都不兼容。
MDL_INTENTION_EXCLUSIVE	用于表示即将进行排他锁操作的意向，在实际获取排他锁之前先获取意向锁，与其他锁模式兼容，主要用于优化锁的获取过程。

兼容性矩阵：

	MDL_SHARED	MDL_SHARED_READ	MDL_SHARED_WRITE	MDL_EXCLUSIVE	MDL_INTENTION_EXCLUSIVE
MDL_SHARED	Yes	Yes	No	No	Yes
MDL_SHARED_READ	Yes	Yes	No	No	Yes
MDL_SHARED_WRITE	No	No	No	No	Yes
MDL_EXCLUSIVE	No	No	No	No	No
MDL_INTENTION_EXCLUSIVE	Yes	Yes	Yes	No	Yes

举例说明：

假设有两个会话：

• 会话 A: 执行 SELECT * FROM my_table; 会获取 MDL_SHARED 锁。
• 会话 B: 执行 ALTER TABLE my_table ADD COLUMN new_column INT; 会尝试获取 MDL_EXCLUSIVE 锁。

如果会话 A 先执行，会话 B 就会被阻塞，直到会话 A 释放 MDL_SHARED 锁。如果此时有其他会话也执行 SELECT * FROM my_table; 也会获取 MDL_SHARED 锁，那么会话 B 就要等待所有持有 MDL_SHARED 锁的会话都释放锁，才能获取 MDL_EXCLUSIVE 锁。

2. MDL 死锁的常见场景

MDL 死锁通常发生在以下几种场景：

• 并发 DDL 操作: 多个会话同时尝试修改同一个表的结构。
• DDL 与长事务 DML 冲突: DDL 操作被长时间运行的 DML 事务阻塞。
• 存储过程或触发器中的 DDL: 存储过程或触发器中执行 DDL 操作，可能与调用者持有的 MDL 锁冲突。
• 外键约束导致的死锁: 外键约束相关的 DDL 操作可能导致复杂的 MDL 锁依赖关系，从而引发死锁。

场景一：并发 DDL 操作

假设有两个会话：

• 会话 A: ALTER TABLE my_table ADD COLUMN column_a INT;
• 会话 B: ALTER TABLE my_table ADD COLUMN column_b VARCHAR(255);

如果会话 A 先开始执行，它会尝试获取 my_table 的 MDL_EXCLUSIVE 锁。在它完成之前，会话 B 也尝试获取 my_table 的 MDL_EXCLUSIVE 锁。由于 MDL_EXCLUSIVE 锁是互斥的，两个会话都会互相等待对方释放锁，从而导致死锁。

场景二：DDL 与长事务 DML 冲突

假设有一个会话 A 执行了一个长时间运行的事务，例如：

START TRANSACTION;
SELECT * FROM my_table WHERE some_condition;
-- ... 一系列复杂的 DML 操作 ...
-- 事务未提交

此时，另一个会话 B 尝试执行 DDL 操作：

ALTER TABLE my_table ADD COLUMN new_column INT;

会话 B 需要获取 my_table 的 MDL_EXCLUSIVE 锁，但由于会话 A 持有 MDL_SHARED 锁（SELECT 操作），会话 B 必须等待会话 A 释放锁。如果会话 A 的事务运行时间很长，会话 B 就会被长时间阻塞，甚至可能导致其他依赖该表的 DML 操作也阻塞，最终导致系统响应缓慢。

场景三：存储过程或触发器中的 DDL

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE my_procedure()
BEGIN
    -- 一些 DML 操作
    ALTER TABLE my_table ADD COLUMN new_column INT;
    -- 更多 DML 操作
END//
DELIMITER ;

CALL my_procedure();

如果调用 my_procedure 的会话已经持有 my_table 的某些 MDL 锁（例如，因为之前执行了 SELECT 操作），那么存储过程中的 ALTER TABLE 可能会与这些锁冲突，导致死锁。

场景四：外键约束导致的死锁

假设有两个表 parent_table 和 child_table，child_table 有一个外键约束指向 parent_table。

• 会话 A: ALTER TABLE parent_table ADD COLUMN new_column INT;
• 会话 B: ALTER TABLE child_table ADD COLUMN new_column INT;

在执行这些 DDL 操作时，MySQL 可能会为了维护外键约束的完整性，自动获取一些额外的 MDL 锁，例如在 child_table 上获取锁，以确保 parent_table 的修改不会破坏外键关系。这种复杂的锁依赖关系可能导致死锁，特别是在并发执行这些 DDL 操作时。

3. 如何预防 MDL 死锁

预防 MDL 死锁的关键在于减少锁的持有时间，避免长时间运行的事务阻塞 DDL 操作，以及优化 DDL 操作的执行策略。

3.1 缩短事务持续时间

• 尽量避免长事务: 将大型事务分解为更小的、独立的事务。这可以减少锁的持有时间，降低死锁的风险。
• 及时提交事务: 在事务完成后立即提交或回滚，释放锁资源。
• 使用更细粒度的锁: 如果可能，使用行锁代替表锁，减少锁的冲突范围。

示例：

假设你需要更新大量数据，可以将其分解为多个小批次进行更新：

-- 原始的更新操作 (可能导致长事务)
START TRANSACTION;
UPDATE my_table SET column_a = 'new_value' WHERE some_condition;
COMMIT;

-- 优化后的更新操作 (分批处理)
SET @batch_size = 1000;
SET @offset = 0;

REPEAT
    START TRANSACTION;
    UPDATE my_table SET column_a = 'new_value' WHERE some_condition LIMIT @offset, @batch_size;
    COMMIT;
    SET @offset = @offset + @batch_size;
UNTIL ROW_COUNT() = 0 END REPEAT;

3.2 优化 DDL 操作

• 在线 DDL (Online DDL): 使用 MySQL 5.6 及更高版本提供的在线 DDL 功能，可以在执行 DDL 操作时尽量减少对 DML 操作的影响。在线 DDL 允许在执行 DDL 操作的同时，允许部分 DML 操作继续进行，从而减少锁的竞争。
• 避免高峰期执行 DDL: 选择业务低峰期执行 DDL 操作，减少对线上业务的影响。
• 评估 DDL 操作的影响: 在执行 DDL 操作之前，评估其对数据库性能和锁竞争的影响。可以使用 EXPLAIN 命令分析 DDL 语句的执行计划。

3.3 控制并发 DDL 操作

• 避免同时执行多个 DDL 操作: 尽量避免在同一时间对同一个表或相关的表执行多个 DDL 操作。
• 使用工具进行协调: 可以使用一些工具（例如，数据库变更管理系统）来协调和管理 DDL 操作，确保它们按顺序执行，避免冲突。

3.4 调整 MDL 相关参数

MySQL 提供了一些参数可以控制 MDL 的行为，例如：

• metadata_locks_cache_size: MDL 锁缓存的大小。增加这个值可以减少 MDL 锁的查找时间，提高性能。
• metadata_locks_cache_instances: MDL 锁缓存的实例数。增加这个值可以提高并发性能。
• lock_wait_timeout: 设置事务等待锁的最大时间。如果超过这个时间，事务将被回滚，可以防止长时间的阻塞。

3.5 监控和诊断

• 监控 MDL 锁: 使用 MySQL 的 Performance Schema 或第三方监控工具来监控 MDL 锁的持有情况。
• 诊断死锁: MySQL 可以记录死锁信息到错误日志中。分析这些信息可以帮助你找到死锁的原因。
• 使用 SHOW ENGINE INNODB STATUS: 这个命令可以显示 InnoDB 引擎的内部状态，包括锁的信息。

3.6 代码层面的预防

在应用程序代码中，可以采取以下措施来预防 MDL 死锁：

• 重试机制: 如果 DDL 操作失败，可以进行重试。在重试之前，可以等待一段时间，以避免立即再次发生死锁。
• 设置超时时间: 在执行 DDL 操作时，设置一个合理的超时时间。如果操作在超时时间内没有完成，就放弃执行。
• 使用分布式锁: 如果需要并发执行 DDL 操作，可以使用分布式锁来协调这些操作，确保它们按顺序执行，避免冲突。

示例：重试机制

import mysql.connector
import time

def execute_ddl_with_retry(ddl_statement, max_retries=3, retry_delay=5):
    """
    执行 DDL 语句，如果失败则重试。

    Args:
        ddl_statement: 要执行的 DDL 语句。
        max_retries: 最大重试次数。
        retry_delay: 重试间隔时间 (秒)。
    """
    for i in range(max_retries):
        try:
            mydb = mysql.connector.connect(
              host="localhost",
              user="youruser",
              password="yourpassword",
              database="yourdatabase"
            )
            mycursor = mydb.cursor()
            mycursor.execute(ddl_statement)
            mydb.commit()
            print("DDL 执行成功")
            return True
        except mysql.connector.Error as err:
            print(f"DDL 执行失败 (第 {i+1} 次尝试): {err}")
            if i < max_retries - 1:
                print(f"等待 {retry_delay} 秒后重试...")
                time.sleep(retry_delay)
            else:
                print("达到最大重试次数，放弃执行")
                return False
        finally:
            if mydb and mydb.is_connected():
                mycursor.close()
                mydb.close()

# 示例用法
ddl_statement = "ALTER TABLE my_table ADD COLUMN new_column INT;"
execute_ddl_with_retry(ddl_statement)

4. 案例分析

假设我们有一个名为 orders 的表，用于存储订单信息。由于业务发展，我们需要给 orders 表添加一个索引来优化查询性能。

问题： 直接执行 ALTER TABLE orders ADD INDEX idx_customer_id (customer_id); 可能会导致 MDL 死锁，因为 orders 表可能正在被大量的 DML 操作访问。

解决方案：

1. 选择低峰期执行： 在凌晨 1 点到 3 点之间执行 DDL 操作，此时业务访问量较低。

2. 使用在线 DDL： 确保 MySQL 版本支持在线 DDL，并在执行 DDL 操作时使用 ALGORITHM=INPLACE, LOCK=NONE 选项。

   ALTER TABLE orders ADD INDEX idx_customer_id (customer_id) ALGORITHM=INPLACE, LOCK=NONE;

   • ALGORITHM=INPLACE：表示在原地修改表结构，不需要创建临时表。
   • LOCK=NONE：表示在执行 DDL 操作时，尽量减少对 DML 操作的阻塞。

3. 监控 MDL 锁： 在执行 DDL 操作期间，使用 Performance Schema 监控 orders 表的 MDL 锁持有情况。

4. 分批次创建索引: 如果在线DDL 仍然导致性能问题，可以考虑先创建一个辅助表，将需要索引的列复制到辅助表，然后在辅助表上创建索引，最后使用 JOIN 操作来优化查询。 这需要更复杂的操作，但可以避免长时间锁定 orders 表。

5. 总结

MDL 死锁是 MySQL 中一个需要重视的问题。通过了解 MDL 的工作原理，识别常见的死锁场景，并采取有效的预防措施，可以最大限度地减少死锁的发生，保证数据库服务的稳定性和可用性。核心策略包括缩短事务时间，使用在线 DDL, 避免并发DDL, 监控锁状态和合理重试。通过这些方法，我们可以与锁进行一场有效的博弈，确保数据库的正常运行。