MySQL 核心模块揭秘

1. 概述

MySQL 采用插件化存储引擎，从这个角度，整体结构可以分为两层：

• server 层。
• 存储引擎。

基于以上两层结构，MySQL 的锁也可以分为两大类。

server 层的锁，就是让我们头痛不已的元数据锁（MDL）。

存储引擎的锁，取决于各存储引擎的实现。

InnoDB 支持表锁、行锁、谓词锁（用于空间索引，我们不会介绍）。

表锁分为共享锁（S）、排他锁（X）、意向共享锁（IS）、意向排他锁（IX）、AUTO-INC 锁。

行锁分共享锁（S）、排他锁（X），以及有点特殊的插入意向锁（LOCK_INSERT_INTENTION）。

行级别共享锁（S）和排他锁（X）又都可以细分为三类：

• 普通记录锁（LOCK_REC_NOT_GAP）。
• 间隙锁（LOCK_GAP）。
• Next-Key 锁（LOCK_ORDINARY）。

接下来，我们就进入本文的主题，聊聊 InnoDB 的表锁。

2. 共享锁 & 排他锁

顾名思义，共享锁指的是多个事务可以同时对同一个表加的锁，排他锁指的是同一时刻只有一个事务能对某个表加的锁。

如果事务 T 想要读取某个表的数据，同时允许其它事务读取这个表的数据，但是不允许其它事务改变这个表的数据，事务 T 可以对这个表加表级别的共享锁。

如果事务 T 想要改变（插入、更新、删除）某个表的数据，并且不允许其它任何事务读取或者改变（插入、更新、删除）这个表的数据，事务 T 可以对这个表加表级别的排他锁。

了解定义之后，我们再来看看怎么加表级别的共享锁和排他锁。

以给 t1 表加表级别的共享锁为例，先执行以下 SQL 加锁：

lock tables t1 read;

然后，执行以下 SQL 查看加锁结果：

select * from performance_schema.data_locks
where object_name = 't1'\G

-- 加锁结果如下
0 rows in set

咦！lock tables 语句并没有给 t1 表加上表级别的共享锁，这是怎么回事？

这个问题代码里有说明：从 MySQL 4.1.9 开始，如果系统变量 autocommit 的值为 ON，lock tables 语句不会给表加表级别的共享锁或排他锁。

实际上，lock tables 语句是否给表加表级别的共享锁或排他锁，由 innodb_table_locks、autocommit 两个系统变量共同决定。

只有同时满足以下两个条件，lock tables 语句才会给表加表级别的共享锁或排他锁：

• innodb_table_locks = ON。
• autocommit = OFF。

因为系统变量 innodb_table_locks 和 autocommit 的默认值都为 ON，所以前面执行的 lock tables 语句不会给 t1 表加表级别的共享锁。

我们先把系统变量 autocommit 的值修改为 OFF：

set autocommit = OFF;

show variables like 'autocommit';

+---------------+-------+
| Variable_name | Value |
+---------------+-------+
| autocommit    | OFF   |
+---------------+-------+

再执行一次 lock tables 语句：

lock tables t1 read;

然后查看加锁结果：

***************************[ 1. row ]***************************
ENGINE                | INNODB
ENGINE_LOCK_ID        | 4708798376:1415:4561418528
ENGINE_TRANSACTION_ID | 281479685509032
THREAD_ID             | 53
EVENT_ID              | 15
OBJECT_SCHEMA         | test
OBJECT_NAME           | t1
PARTITION_NAME        | <null>
SUBPARTITION_NAME     | <null>
INDEX_NAME            | <null>
OBJECT_INSTANCE_BEGIN | 4561418528
LOCK_TYPE             | TABLE
LOCK_MODE             | S
LOCK_STATUS           | GRANTED
LOCK_DATA             | <null>

此时，我们可以看到 lock tables 语句给 t1 表加了表级别的共享锁。

看到这里，大家可能会有个疑问：autocommit = OFF 时，lock tables ... read 不给表加表级别的共享锁，怎么阻止其它事务改变表的数据？

答案是 MySQL 会给表加元数据锁。

不管系统变量 autocommit 的值是什么，我们执行 lock tables 语句之后，都可以看到 MySQL 给 t1 表加了元数据锁：

select * from performance_schema.metadata_locks
where object_name = 't1'\G

***************************[ 1. row ]***************************
OBJECT_TYPE           | TABLE
OBJECT_SCHEMA         | test
OBJECT_NAME           | t1
COLUMN_NAME           | <null>
OBJECT_INSTANCE_BEGIN | 5143798864
LOCK_TYPE             | SHARED_READ_ONLY
LOCK_DURATION         | TRANSACTION
LOCK_STATUS           | GRANTED
SOURCE                | sql_parse.cc:6094
OWNER_THREAD_ID       | 53
OWNER_EVENT_ID        | 28

通过以上结果，我们可以看到 MySQL 给 t1 表加了类型为 SHARED_READ_ONLY 的元数据锁。

这个元数据锁限制了任何事务只能读取，不能改变（插入、更新、删除）t1 表的数据。

看到这里，大家可能会有另一个疑问：server 层的元数据锁，既然能实现表级别的共享锁和排他锁的功能，InnoDB 为什么还要支持表级别的共享锁和排他锁，这不是多此一举吗？

还真不是。

根据代码里的描述，DDL 语句修改某个表结构的过程中，虽然会加元数据锁保证其它事务不会读写这个表，但是有两种特殊场景只在 InnoDB 内部实现，不会加元数据锁。

这两种特殊场景如下：

• 外键检查。
• 崩溃恢复过程中收集未提交完成的事务。

为了保证 DDL 语句和上面两种场景同时操作同一个表时不会出现问题，它们都会给表加表级别的共享锁或排他锁。

所以，InnoDB 支持表级别的共享锁和排他锁是必要的。

通过前面的介绍，我们可以看到，InnoDB 表级别的共享锁和排他锁并不常用，因为元数据锁在大部分场景下能够代替它们。

由于有些特殊场景的存在，虽然不常用，但是 InnoDB 也不能没有表级别的共享锁和排他锁。

3. 意向共享锁 & 意向排他锁

有了表级别的共享锁和排他锁，怎么又弄出来个意向共享锁和意向排他锁，它们之间到底是什么关系？

意向共享锁、意向排他锁，其实和表级别的共享锁、排他锁没什么关系，它们是用来和行级别的共享锁、排他锁配合使用的。

如果我们经常关注表的加锁情况，可能会有如下发现：

• select ... lock in share mode 除了会加行级别的共享锁，还会加表级别的意向共享锁。
• select ... for update 除了会加行级别的排他锁，还会表加级别的意向排他锁。
• update、delete 除了会加行级别的排他锁，还会加表级别的意向排他锁。
• insert 也会加表级别的意向排他锁。

我们以第一种为例，来看看加锁情况：

begin;
select * from t1 where id = 10
lock in share mode;

-- 查看加锁情况
select
  object_name, lock_type, lock_mode,
  lock_status, lock_data
from performance_schema.data_locks
where object_name = 't1'\G

***************************[ 1. row ]***************************
object_name | t1
lock_type   | TABLE
lock_mode   | IS
lock_status | GRANTED
lock_data   | <null>
***************************[ 2. row ]***************************
object_name | t1
lock_type   | RECORD
lock_mode   | S,REC_NOT_GAP
lock_status | GRANTED
lock_data   | 10

从以上加锁情况可以看到，InnoDB 除了给 t1 表中 id = 10 的记录加了行级别的共享锁，还给 t1 表加了表级别的意向共享锁。

说了这么多，意向共享锁、意向排他锁和行级别的共享锁、排他锁到底是怎么配合的？

我们先不正面回答这个问题，而是假装没有意向共享锁、意向排他锁，要怎么解决下面这个场景中的问题。

场景是这样的：

我们把系统变量 innodb_table_locks 设置为 ON，autocommit 设置为 OFF，然后执行 lock tables t1 read。

执行 lock tables 语句的过程中，InnoDB 会给 t1 表加表级别的共享锁，但是加锁之前，InnoDB 要确定没有事务正在或者将要改变（插入、更新、删除）t1 表的记录。

因为事务改变 t1 表的任何记录之前，都会给这些记录加行级别的排他锁。

插入记录有一点特殊，这里我们暂且忽略插入记录加锁的特殊性。

这么一来，InnoDB 要确定没有事务正在或者将要改变（插入、更新、删除）t1 表的记录，只需要确定没有事务给 t1 表中的记录加了行级别的排他锁就可以了。

问题来了：InnoDB 要怎么确定没有事务给 t1 表中某条或者某些记录加了行级别的排他锁？

有一个办法，就是遍历所有的记录锁，对于每个记录锁，都看看它锁定的是不是 t1 表的记录。如果是，再看看锁的类型是不是排他锁。

这个方法简单直接，但是有个问题，如果 InnoDB 中有非常多的记录锁，遍历所有记录锁消耗的时间就会很长。

显然，这个简单直接的方法不太靠谱。

此时，聪明如你，可能会想到另一个方案：采用登记制度，每个事务给 t1 表的记录加排他锁之前，先登记一下，表示它将要给 t1 表的记录加行级别的排他锁。

不管一个事务要给 t1 表的多少条记录加行级别的排他锁，只需要登记一次就行。

这样九九归一，原来要遍历 N 个表的所有行级别的锁，现在只需要看 N 个表的登记信息就行了，数量急剧减少，效率大幅提升。

采用登记制度之后，InnoDB 只需要看看登记本，就能确定有没有事务正在或者将要给 t1 表的记录加行级别的排他锁，也就能确定有没有事务正在或者将要改变（插入、更新、删除）t1 表的记录了。

前面大白话讲的登记制度，就是 InnoDB 加表级别的共享锁、排他锁之前，用来确定表中记录没有被加上行级别的共享锁、排他锁时使用的方案，也就是意向共享锁、意向排他锁。

事务对表中某条或者某些记录加行级别的共享锁、排他锁之前，都要先加对应的表级别的意向共享锁、意向排他锁。

所以，意向共享锁、意向排他锁可以分别看作行级别的共享锁、排他锁的登记本。

4. AUTO-INC 锁

我们建表时，经常会把主键字段定义为整型，并且主键字段值还是一个递增的数字序列。

如果我们自己指定插入记录的主键字段值，需要保证插入记录的主键字段值，和表中已有记录的主键字段值不重复，否则插入记录会失败。

这么做，我们自己就比较麻烦了。

为了不麻烦我们自己，只好麻烦 MySQL 了。

于是，我们就经常使用 auto_increment 关键字把主键字段定义为自增字段。

插入记录时，我们就可以不指定主键字段值，而是让 MySQL 自动生成递增的主键字段值。

官方文档介绍：MySQL 并不限制只有主键索引或者唯一索引才能使用自增字段，非唯一索引也能使用自增字段，只是不推荐这么用。

MySQL 怎么保证自增的主键字段值不重复呢？

答案就是加 AUTO-INC 锁。

AUTO-INC 锁有三种模式，由系统变量 innodb_autoinc_lock_mode 指定，枚举值为 0、1、2。

4.1 传统模式

innodb_autoinc_lock_mode = 0，传统模式（traditional mode）。

引入系统变量 innodb_autoinc_lock_mode 之前，AUTO-INC 锁用的就是这种模式。

MySQL 8.0 保留这种模式，主要是为了兼容以前版本的逻辑，供用户需要时使用。

传统模式下，如果需要 MySQL 为插入记录生成自增字段值，生成之前，都需要给自增字段所属的表加上表级别的 AUTO-INC 锁。

传统模式的优点是：MySQL 为同一条 insert 语句插入多条记录生成的自增字段值是连续的，并且只要主从服务器上 insert 语句的执行顺序一致，主从服务器为同一条 insert 语句生成的自增字段值就是相同的，也就意味着基于语句的主从复制是安全的。

世事都有两面性，传统模式不只有优点，也有缺点。

传统模式的缺点是：同一时间，只有一个事务能获得某个表的表级别的 AUTO-INC 锁。

插入记录到同一个表的多条 insert 语句，如果都需要 MySQL 生成自增字段值，这些语句只能串行执行，这会降低 MySQL 的并发能力。

传统模式为 insert 语句的第一条记录生成自增字段值之前，就会加表级别的 AUTO-INC 锁，insert 语句执行完成时，才会释放。

4.2 连续模式

innodb_autoinc_lock_mode = 1，连续模式（consecutive mode）。

这是 MySQL 8.0 之前的默认值。

连续模式也能保证 MySQL 为同一条 insert 语句插入多条记录生成的自增字段值是连续的，所以，基于语句的主从复制也是安全的。

连续模式不会像传统模式那样，为所有需要生成自增字段值的表都加表级别的 AUTO-INC 锁，而是会根据 insert 语句的类型加不同级别的锁。

对于 insert ... select 这种不能事先确定插入记录数量的语句，连续模式和传统模式一样，也会加表级别的 AUTO-INC 锁。

对于 insert ... values 这种简单的能事先确定插入记录数量的语句，就不会加表级别的 AUTO-INC 锁，只会加个轻量锁。

所谓轻量锁，就是生成自增字段值之前，加锁，生成自增字段值之后，马上释放，而不需要等待 insert 语句执行完才释放。

这种简单的 insert 语句，不管是插入一条记录，还是插入多条记录，都会一次性为所有记录生成连续的自增字段值。

对于简单的 insert 语句，还会有一种例外情况：当它要插入记录的表被其它事务加了表级别的 AUTO-INC 锁，它就不会加轻量锁了，而是改为加表级别的 AUTO-INC 锁，然后排队等待获得锁。

连续模式加的表级别的 AUTO-INC 锁，同样也要等待语句执行完成时才释放。

4.3 交错模式

innodb_autoinc_lock_mode = 2，交错模式（interleaved mode）。

这是 MySQL 8.0 的默认值。

交错模式为所有 insert 语句插入记录生成的自增字段值，都不会加表级别的 AUTO-INC 锁，而是加轻量锁。

对于 insert ... select 这种不能事先确定插入记录数量的语句，每往目标表中插入一条记录之前，先加轻量锁，再生成自增字段值，然后马上释放轻量锁。

插入多条记录的过程中，如果有其它 insert 语句也生成了自增字段值，会导致 insert ... select 插入多条记录的自增字段值不是连续的。

交错模式是三种模式中效率最高的，但是为并发执行的多条 insert 语句生成的自增字段值可能不是连续的。

主从复制集群中，从库回放 binlog 日志时，即使和主库执行 insert 语句的顺序相同，也可能造成从库生成的自增字段值和主库不一致，从而导致主从数据不一致。

所以，交错模式对基于语句的主从复制不安全。

MySQL 8.0 把 innodb_autoinc_lock_mode 的默认值从 1（连续模式）改为 2（交错模式），是因为系统变量 binlog_format 的默认值，已经从 8.0 之前的 STATEMENT 改为 ROW，不再需要使用连续模式来保证主从复制的自增字段值的一致性。

5. 总结

InnoDB 表级别的共享锁和排他锁并不常用，因为 server 层的元数据锁在多数场景下代替了它的功能。

意向共享锁、意向排他锁是为了和行级别的共享锁、排他锁配合使用的，目的是加 InnoDB 表级别的共享锁、排他锁的时候，能够方便快速的判断表中是否加了行级别的共享锁、排他锁。

AUTO-INC 锁有三种模式：传统模式、连续模式、交错模式。

传统模式、连续模式都能保证为同一条 insert 语句插入多条记录生成的自增字段值是连续的，对基于语句的主从复制是安全的。

多条 insert 语句并发的情况下，交错模式为同一条 insert 语句插入多条记录生成的自增字段值可能不连续，对基于语句的主从复制不安全。