MySQL探秘(七):InnoDB行锁算法
在上一篇《InnoDB一致性非锁定读》中，我们了解到InnoDB使用一致性非锁定读来避免在一般的查询操作(SELECT FOR UPDATE等除外)时使用锁。然而锁这个事情是无法避免的，数据的写入，修改和删除都需要加锁。今天我们就继续学习InnoDB锁相关的知识。
由于文章涉及的概念比较多，害怕大家看完后会骂人，有一种字我都认识，就不太懂的感觉，文章会给出一些实例和试验，依据具体案例来讲解这些概念。毕竟，实践才能出真知。
InnoDB存储引擎支持表锁和行锁。顾名思义，表锁是锁住整张表，行锁只是锁住某些行。InnoDB通过给索引项加锁来实现行锁，如果没有索引，则通过隐藏的聚簇索引来对记录加锁。如果操作不通过索引条件检索数据，InnoDB 则对表中的所有记录加锁，实际效果就和表锁一样。InnoDB存储引擎有3种行锁的算法，分别是：
- Record Lock: 单个记录上的锁
- Gap Lock: 间隙锁，锁定一个范围，但不包括记录本上
- Next-Key Lock: Gap Lock+Record Lock，锁定一个范围，并且锁定记录本身
如下图所示，
三种锁算法
例如一个索引有10,11,13,20这四个值。InnoDB可以根据需要使用Record Lock将10，11，13，20四个索引锁住，也可以使用Gap Lock将(-∞,10)，(10,11)，(11,13)，(13,20)，(20, +∞)五个范围区间锁住。Next-Key Locking类似于上述两种锁的结合，它可以锁住的区间有为(-∞,10]，(10,11]，(11,13]，(13,20]，(20, +∞)，可以看出它即锁定了一个范围，也会锁定记录本身。
InnoDB存储引擎的锁算法的一些规则如下所示，后续章节会给出对应的实验案例和详细讲解。
- 在不通过索引条件查询时，InnoDB 会锁定表中的所有记录。所以，如果考虑性能，WHERE语句中的条件查询的字段都应该加上索引。
- InnoDB通过索引来实现行锁，而不是通过锁住记录。因此，当操作的两条不同记录拥有相同的索引时，也会因为行锁被锁而发生等待。
- 由于InnoDB的索引机制，数据库操作使用了主键索引，InnoDB会锁住主键索引；使用非主键索引时，InnoDB会先锁住非主键索引，再锁定主键索引。
- 当查询的索引是唯一索引(不存在两个数据行具有完全相同的键值)时，InnoDB存储引擎会将Next-Key Lock降级为Record Lock，即只锁住索引本身，而不是范围。
- InnoDB对于辅助索引有特殊的处理，不仅会锁住辅助索引值所在的范围，还会将其下一键值加上Gap LOCK。
- InnoDB使用Next-Key Lock机制来避免Phantom Problem（幻读问题）。
真的了解本质吗?
在不通过索引条件查询时，InnoDB 会锁定表中的所有记录。大家可以登录上自己的MySQL服务器，亲自试验一下。
示例一
试验发现，会话二的查询操作真的是会发生等待。那么，这句话真的是对的吗？我们可以使用《InnoDB锁的类型和状态查询》中查询数据锁的方法查询一下，注意必须在会话二操作还在等待时进行查询，否则查询不到。
查询锁信息
其中lock_trx_id为1851的事务是会话二的事务，另一个是会话一的事务。我们可以看到两个锁都要对值为1的主键索引加锁。需要注意的是，这里是对主键进行加锁。二者之间的关系是怎么确定的呢?我们可以通过information_schema.INNODB_LOCK_WAITS中的数据确定。
奇怪，不是说好的锁定表中的所有记录嘛？查找了很多资料，发现INNODB_LOCKS的定义如下：
The INNODB_LOCKS table contains information about each lock that an InnoDB transaction has requested but not yet acquired, and each lock that a transaction holds that is blocking another transaction.
也就是说，这张表并不会显示所有锁的信息，而是只显示要申请却没有申请到，和已经持有锁并且阻塞其他线程的锁信息。怪不得必须在会话二进行等待时进行查询才能查得到数据。
因为两个会话的操作都要锁住所有的行，所以发现每次在第一行记录上就发生了锁等待。那我们使用插入语句试试。表e1的主键a的值为1-4，我们分别插入主键为1-4(当然会有主键重复问题，但是由于有锁，一直等待)的新记录，分别查询锁信息，就能看到会话一的事务对所有的主键都加了锁，也就是对所有的记录都加了锁。
是索引，而不是记录
InnoDB存储引擎的行锁是通过锁住索引实现的，而不是记录。这是理解很多数据库锁问题的关键。
由于InnoDB特殊的索引机制，数据库操作使用主键索引时，InnoDB会锁住主键索引；使用非主键索引时，InnoDB会先锁住非主键索引，再锁定主键索引。不了解InnoDB索引机制的可以参考这篇文章
如下图所示，当InnoDB锁定非主键索引b时，它也会锁住其对应的主键索引，所以锁住b值为2和3的非主键索引，那么与其相关的a值为6,5的主键索引也需要被锁住。
非主键索引的加锁
比如说，一种常见的死锁情况一般出现在如下图所示的操作场景中。
示例2
会话一的语句使用了b上的索引，因为它是非主键索引，所以会先在b索引上添加锁，再去a索引上加锁。而会话二的语句恰恰相反，会先在索引a上加锁，再去索引b加锁。这种情况下，就可能出现死锁。
Next-Key Lock锁到底有什么用？
默认隔离级别REPEATABLE-READ下，InnoDB中行锁默认使用算法Next-Key Lock，只有当查询的索引是唯一索引或主键时，InnoDB会对Next-Key Lock进行优化，将其降级为Record Lock，即仅锁住索引本身，而不是范围。当查询的索引为辅助索引时，InnoDB则会使用Next-Key Lock进行加锁。InnoDB对于辅助索引有特殊的处理，不仅会锁住辅助索引值所在的范围，还会将其下一键值加上Gap LOCK。
废话不多说，我们来看一下相关的实验，先做一下准备。
CREATE TABLE e4 (a INT, b INT, PRIMARY KEY(a), KEY(b));
INSERT INTO e4 SELECT 1,1;
INSERT INTO e4 SELECT 3,1;
INSERT INTO e4 SELECT 5,3;
INSERT INTO e4 SELECT 7,6;
INSERT INTO e4 SELECT 10,8;然后开启一个会话执行下面的语句。
SELECT * FROM e4 WHERE b=3 FOR UPDATE; 因为通过索引b来进行查询，所以InnoDB会使用Next-Key Lock进行加锁，并且索引b是非主键索引，所以还会对主键索引a进行加锁。对于主键索引a，仅仅对值为5的索引加上Record Lock（因为之前的规则）。而对于索引b，需要加上Next-Key Lock索引，锁定的范围是(1,3]。除此之外，还会对其下一个键值加上Gap Lock，即还有一个范围为(3,6)的锁。 大家可以再新开一个会话，执行下面的SQL语句，会发现都会被阻塞。
SELECT * FROM e4 WHERE a = 5 FOR UPDATE; # 主键a被锁
INSERT INTO e4 SELECT 4,2; # 插入行b的值为2，在锁定的(1,3]范围内
INSERT INTO e4 SELECT 6,5; # 插入行b的值为5，在锁定的(3,6)范围内InnoDB引擎采用Next-Key Lock来解决幻读问题。因为Next-Key Lock是锁住一个范围，所以就不会产生幻读问题。但是需要注意的是，InnoDB只在Repeatable Read隔离级别下使用该机制。
后记
我们后续还会探讨InnoDB的事务的知识，请大家持续关注。
参考
- 淘宝数据库博客 http://mysql.taobao.org/monthly/2018/05/04/
- Mysql Innodb 中的锁 https://zhuanlan.zhihu.com/p/31875702
- MySQL关于Lock类型的官方文档 https://dev.mysql.com/doc/refman/5.5/en/innodb-locking.html