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第五讲：全局锁和表锁 ：给表加个字段怎么有这么多阻碍？

2024-07-22 13:57 由 guixiang 发表于 #数据库

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第五讲：全局锁和表锁 ：给表加个字段怎么有这么多阻碍？

引言：

​ 今天我要跟你聊聊 MySQL 的锁。数据库锁设计的初衷是处理并发问题。作为多用户共享的资源，当出现并发访问的时候，数据库需要合理地控制资源的访问规则。而锁就是用来实现这些访问规则的重要数据结构。

锁的分类：

​ 根据加锁的范围，MySQL 里面的锁大致可以分成全局锁、表级锁和行锁三类。今天这篇文章，我会和你分享全局锁和表级锁。而关于行锁的内容，我会留着在下一篇文章中再和你详细介绍。

​ 这里需要说明的是，锁的设计比较复杂，这两篇文章不会涉及锁的具体实现细节，主要介绍的是碰到锁时的现象和其背后的原理。

全局锁

​ 顾名思义，全局锁就是对整个数据库实例加锁。MySQL 提供了一个加全局读锁的方法，命令是

Flush tables with read lock (FTWRL)

​ 当你需要让整个库处于只读状态的时候，可以使用这个命令，之后其他线程的以下语句会被阻塞：数据更新语句（数据的增删改）、数据定义语句（包括建表、修改表结构等）和更新类事务的提交语句。

场景：

​ 做全库逻辑备份。也就是把整库每个表都 select 出来存成文本。

​ 以前有一种做法，是通过 FTWRL 确保不会有其他线程对数据库做更新，然后对整个库做备份。注意，在备份过程中整个库完全处于只读状态。

弊端：

让整库都只读，听上去就很危险：
  • 如果你在主库上备份，那么在备份期间都不能执行更新，业务基本上就得停摆；
  • 如果你在从库上备份，那么备份期间从库不能执行主库同步过来的 binlog，会导致主从延迟。

好处分析：

​ 看来加全局锁不太好。但是细想一下，备份为什么要加锁呢？我们来看一下不加锁会有什么问题。

​ 假设你现在要维护“极客时间”的购买系统，关注的是用户账户余额表和用户课程表。

​ 现在发起一个逻辑备份。假设备份期间，有一个用户，他购买了一门课程，业务逻辑里就要扣掉他的余额，然后往已购课程里面加上一门课。如果时间顺序上是先备份账户余额表 (u_account)，然后用户购买，然后备份用户课程表 (u_course)，会怎么样呢？你可以看一下这个图：

​ 可以看到，这个备份结果里，用户 A 的数据状态是“账户余额没扣，但是用户课程表里面已经多了一门课”。如果后面用这个备份来恢复数据的话，用户 A 就发现，自己赚了。

​ 作为用户可别觉得这样可真好啊，你可以试想一下：如果备份表的顺序反过来，先备份用户课程表再备份账户余额表，又可能会出现什么结果？

​ 也就是说，不加锁的话，备份系统备份的得到的库不是一个逻辑时间点，这个视图是逻辑不一致的。

回顾：

​ 说到视图你肯定想起来了，我们在前面讲事务隔离的时候，其实是有一个方法能够拿到一致性视图的，对吧？

​ 是的，就是在可重复读隔离级别下开启一个事务。

​ 备注：如果你对事务隔离级别的概念不是很清晰的话，可以再回顾一下第 3 篇文章《事务隔离：为什么你改了我还看不见？》中的相关内容。

​ 官方自带的逻辑备份工具是 mysqldump。当 mysqldump 使用参数–single-transaction 的时候，导数据之前就会启动一个事务，来确保拿到一致性视图。而由于 MVCC 的支持，这个过程中数据是可以正常更新的。

提出问题：

问题一：

​ 你一定在疑惑，有了这个功能，为什么还需要 FTWRL 呢？一致性读是好，但前提是引擎要支持这个隔离级别。比如，对于 MyISAM 这种不支持事务的引擎，如果备份过程中有更新，总是只能取到最新的数据，那么就破坏了备份的一致性。这时，我们就需要使用 FTWRL 命令了。

​ 所以，single-transaction 方法只适用于所有的表使用事务引擎的库。如果有的表使用了不支持事务的引擎，那么备份就只能通过 FTWRL 方法。这往往是 DBA 要求业务开发人员使用 InnoDB 替代 MyISAM 的原因之一。

问题二：

​ 你也许会问，既然要全库只读，为什么不使用 set global readonly=true 的方式呢？确实 readonly 方式也可以让全库进入只读状态，但我还是会建议你用 FTWRL 方式，主要有两个原因：

  • 一是，在有些系统中，readonly 的值会被用来做其他逻辑，比如用来判断一个库是主库还是备库。因此，修改 global 变量的方式影响面更大，我不建议你使用。
  • 二是，在异常处理机制上有差异。如果执行 FTWRL 命令之后由于客户端发生异常断开，那么 MySQL 会自动释放这个全局锁，整个库回到可以正常更新的状态。而将整个库设置为 readonly 之后，如果客户端发生异常，则数据库就会一直保持 readonly 状态，这样会导致整个库长时间处于不可写状态，风险较高。

​ 业务的更新不只是增删改数据（DML)，还有可能是加字段等修改表结构的操作（DDL）。不论是哪种方法，一个库被全局锁上以后，你要对里面任何一个表做加字段操作，都是会被锁住的。

表级锁

​ 但是，即使没有被全局锁住，加字段也不是就能一帆风顺的，因为你还会碰到接下来我们要介绍的表级锁。

​ MySQL 里面表级别的锁有两种：一种是表锁，一种是元数据锁（meta data lock，MDL)。

表锁：

​ 表锁的语法是

lock tables … read/write

​ 与 FTWRL 类似，可以用 unlock tables 主动释放锁，也可以在客户端断开的时候自动释放。需要注意，lock tables 语法除了会限制别的线程的读写外，也限定了本线程接下来的操作对象。

​ 举个例子, 如果在某个线程 A 中执行 lock tables t1 read, t2 write; 这个语句，则其他线程写 t1、读写 t2 的语句都会被阻塞。同时，线程 A 在执行 unlock tables 之前，也只能执行读 t1、读写 t2 的操作。连写 t1 都不允许，自然也不能访问其他表。

​ 在还没有出现更细粒度的锁的时候，表锁是最常用的处理并发的方式。而对于 InnoDB 这种支持行锁的引擎，一般不使用 lock tables 命令来控制并发，毕竟锁住整个表的影响面还是太大。

元数据锁（MDL)

​ 另一类表级的锁是 MDL（metadata lock)。MDL 不需要显式使用，在访问一个表的时候会被自动加上。MDL 的作用是，保证读写的正确性。你可以想象一下，如果一个查询正在遍历一个表中的数据，而执行期间另一个线程对这个表结构做变更，删了一列，那么查询线程拿到的结果跟表结构对不上，肯定是不行的。

​ 因此，在 MySQL 5.5 版本中引入了 MDL，当对一个表做增删改查操作的时候，加 MDL 读锁；当要对表做结构变更操作的时候，加 MDL 写锁。（十分重要）

(批注：加读锁则所有线程可正常读元数据，不影响增删改查操作，只是不能修改表结构；加写锁则只有拥有锁的线程可以读写元数据，也就是修改表结构，其它线程不能执行任何操作，包括修改表结构与增删改查。)

  • 读锁之间不互斥，因此你可以有多个线程同时对一张表增删改查。
  • 读写锁之间、写锁之间是互斥的，用来保证变更表结构操作的安全性。因此，如果有两个线程要同时给一个表加字段，其中一个要等另一个执行完才能开始执行。
案例：

​ 虽然 MDL 锁是系统默认会加的，但却是你不能忽略的一个机制。比如下面这个例子，我经常看到有人掉到这个坑里：给一个小表加个字段，导致整个库挂了。

​ 你肯定知道，给一个表加字段，或者修改字段，或者加索引，需要扫描全表的数据。在对大表操作的时候，你肯定会特别小心，以免对线上服务造成影响。而实际上，即使是小表，操作不慎也会出问题。我们来看一下下面的操作序列，假设表 t 是一个小表。

​ 备注：这里的实验环境是 MySQL 5.6。

​ 我们可以看到 session A 先启动，这时候会对表 t 加一个 MDL 读锁。由于 session B 需要的也是 MDL 读锁，因此可以正常执行。

变故发生：

​ 之后 session C 会被 blocked，是因为 session A 的 MDL 读锁还没有释放，而 session C 需要 MDL 写锁，因此只能被阻塞。

​ 如果只有 session C 自己被阻塞还没什么关系，但是之后所有要在表 t 上新申请 MDL 读锁的请求也会被 session C 阻塞。前面我们说了，所有对表的增删改查操作都需要先申请 MDL 读锁，就都被锁住，等于这个表现在完全不可读写了。

​ 如果某个表上的查询语句频繁，而且客户端有重试机制，也就是说超时后会再起一个新 session 再请求的话，这个库的线程很快就会爆满。

​ 你现在应该知道了，事务中的 MDL 锁，在语句执行开始时申请，但是语句结束后并不会马上释放，而会等到整个事务提交后再释放。

基于案列说问题：

​ 基于上面的分析，我们来讨论一个问题，如何安全地给小表加字段？

​ 首先我们要解决长事务，事务不提交，就会一直占着 MDL 锁。在 MySQL 的 information_schema 库的 innodb_trx 表中，你可以查到当前执行中的事务。如果你要做 DDL 变更的表刚好有长事务在执行，要考虑先暂停 DDL，或者 kill 掉这个长事务。

​ 但考虑一下这个场景。如果你要变更的表是一个热点表，虽然数据量不大，但是上面的请求很频繁，而你不得不加个字段，你该怎么做呢？

​ 这时候 kill 可能未必管用，因为新的请求马上就来了。比较理想的机制是，在 alter table 语句里面设定等待时间，如果在这个指定的等待时间里面能够拿到 MDL 写锁最好，拿不到也不要阻塞后面的业务语句，先放弃。之后开发人员或者 DBA 再通过重试命令重复这个过程。

​ MariaDB 已经合并了 AliSQL 的这个功能，所以这两个开源分支目前都支持 DDL NOWAIT/WAIT n 这个语法。

操作
ALTER TABLE tbl_name NOWAIT add column ...
ALTER TABLE tbl_name WAIT N add column ...

小结

​ 今天，我跟你介绍了 MySQL 的全局锁和表级锁。全局锁主要用在逻辑备份过程中。对于全部是 InnoDB 引擎的库，我建议你选择使用–single-transaction 参数，对应用会更友好。

​ 表锁一般是在数据库引擎不支持行锁的时候才会被用到的。

​ 如果你发现你的应用程序里有 lock tables 这样的语句，你需要追查一下，比较可能的情况是：

  • 要么是你的系统现在还在用 MyISAM 这类不支持事务的引擎，那要安排升级换引擎；
  • 要么是你的引擎升级了，但是代码还没升级。我见过这样的情况，最后业务开发就是把 lock tables 和 unlock tables 改成 begin 和 commit，问题就解决了。

​ MDL 会直到事务提交才释放，在做表结构变更的时候，你一定要小心不要导致锁住线上查询和更新。

提问：

​ 最后，我给你留一个问题吧。备份一般都会在备库上执行，你在用–single-transaction 方法做逻辑备份的过程中，如果主库上的一个小表做了一个 DDL，比如给一个表上加了一列。这时候，从备库上会看到什么现象呢？

官方：

假设这个 DDL 是针对表 t1 的， 这里我把备份过程中几个关键的语句列出来：

Q1:SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;
/*将事务隔离级别设置为RR（可重复读）；*/
Q2:START TRANSACTION  WITH CONSISTENT SNAPSHOT；
/* other tables ,开启事务一致性视图；即在开始一个事务时，希望该事务能够在一个一致的数据库快照上操作，确保事务内的所有读取操作都基于事务开始时数据库的状态，而不受其他并发事务的影响*/
Q3:SAVEPOINT sp;
/* 时刻 1 , savepoint 设置回滚点；*/
Q4:show create table `t1`;
/* 时刻 2 */
Q5:SELECT * FROM `t1`;
/* 时刻 3 */
Q6:ROLLBACK TO SAVEPOINT sp;
/* 时刻 4 */
/* other tables */
  1. 在备份开始的时候，为了确保 RR（可重复读）隔离级别，再设置一次 RR 隔离级别 (Q1);
  2. 启动事务，这里用 WITH CONSISTENT SNAPSHOT 确保这个语句执行完就可以得到一个一致性视图（Q2)；
  3. 设置一个保存点，这个很重要（Q3）；
  4. show create 是为了拿到表结构 (Q4)，然后正式导数据 （Q5），回滚到 SAVEPOINT sp，在这里的作用是释放 t1 的 MDL 锁 （Q6）。当然这部分属于“超纲”，上文正文里面都没提到。
  5. DDL 从主库传过来的时间按照效果不同，我打了四个时刻。题目设定为小表，我们假定到达后，如果开始执行，则很快能够执行完成。

参考答案如下：

  • 如果在 Q4 语句执行之前到达，现象：没有影响，备份拿到的是 DDL 后的表结构。
  • 如果在“时刻 2”到达，则表结构被改过，Q5 执行的时候，报 Table definition has changed, please retry transaction，现象：mysqldump 终止；
  • 如果在“时刻 2”和“时刻 3”之间到达，mysqldump 占着 t1 的 MDL 读锁，binlog 被阻塞，现象：主从延迟，直到 Q6 执行完成。
  • 从“时刻 4”开始，mysqldump 释放了 MDL 读锁，现象：没有影响，备份拿到的是 DDL 前的表结构。

我的理解(片面了)：

​ DDL binlog同步到备库后，此时备库有MDL读锁，而同步过来的DDL变更到备库上需要MDL写锁，那么这个DDL会被阻塞，所以该DDL不会反应在备份的数据里面。当使用该备份数据进行恢复时，由于加了一列，那么恢复会异常

深入：

1.全局锁和表级锁实在server层实现的

2.MySQL的行锁是在引擎层由各个引擎自己实现的； MyISAM引擎不支持行锁，InnoDB支持行锁， 这也是MyISAM被InnoDB替代的重要原因之一。

3.支持事务的引擎才能用这个参数（–single-transaction ），快照读而已，正常库还是能够读写的

当 mysqldump 使用参数–single-transaction 的时候，导数据之前就会启动一个事务，来确保拿到一致性视图。而由于 MVCC 的支持，这个过程中数据是可以正常更新的。

mysqldump -h127.0.0.1 -uroot -p123456 --single-transaction --default-character-set=utf8 accounting_global zg_tenant_entity > /tmp/ccc.sql

4.不加single-transaction是会锁表的，要加才不锁

5.Readonly与FTWRL的区别

当执行 FTWRL 的客户端断开之后，整个数据库会取消只读，而 set global readonly=true 会一直让数据处于只读状态。

6.写是排他锁，写锁意味着其他线程不能读也不能写。读锁是共享锁，加上后其他锁只能读不能写，本线程也不能写

读锁： 本线程可读，本线程不可写； 其他线程可读，其他线程不可写
写锁： 本线程可读，本线程可写； 其他线程不可读，其他线程不可写

7.增删改查都是读锁，改变表结构才是写锁

8.原本需要用到表锁的场景都可以直接用事务替代，因为事务自动添加 MDL 锁，MDL 锁能够区别对待表结构的修改和普通增删改查，粒度更细。

9.MDL锁不需要显式使用，在访问一个表的时候，系统会默认自动加上

10.获取表结构和后面的select是强相关的，但是到这时还没有加锁，因此，此时是可以执行dll语句的，当获取表结构后再select的时候发现表结构变更了就会报错，估计是为了备份创建的表结构和当前的结构不匹配导致的

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