面试官一直追问我， MySQL 幻读被彻底解决了吗？

2023-02-23 00:00:00 事务 记录 隔离 复读 现象

之前有位小伙伴美团三面，一直被追求「幻读是否被 MySQL 可重复读隔离级别彻底解决了？」

之前我也提到过，MySQL InnoDB 引擎的默认隔离级别虽然是「可重复读」，但是它很大程度上避免幻读现象（并不是完全解决了），解决的方案有两种：

  • 针对快照读（普通 select 语句），是通过 MVCC 方式解决了幻读，因为可重复读隔离级别下，事务执行过程中看到的数据，一直跟这个事务启动时看到的数据是一致的，即使中途有其他事务插入了一条数据，是查询不出来这条数据的，所以就很好了避免幻读问题。
  • 针对当前读（select ... for update 等语句），是通过 next-key lock（记录锁+间隙锁）方式解决了幻读，因为当执行 select ... for update 语句的时候，会加上 next-key lock，如果有其他事务在 next-key lock 锁范围内插入了一条记录，那么这个插入语句就会被阻塞，无法成功插入，所以就很好了避免幻读问题。

这次，我会举例两个实验场景来说明 MySQL InnoDB 引擎的可重复读隔离级别发生幻读的问题。

好了，发车！

什么是幻读？

首先来看看 MySQL 文档是怎么定义幻读（Phantom Read）的:

The so-called phantom problem occurs within a transaction when the same query produces different sets of rows at different times. For example, if a SELECT is executed twice, but returns a row the second time that was not returned the first time, the row is a “phantom” row.

翻译：当同一个查询在不同的时间产生不同的结果集时，事务中就会出现所谓的幻象问题。例如，如果 SELECT 执行了两次，但第二次返回了次没有返回的行，则该行是“幻像”行。

举个例子，假设一个事务在 T1 时刻和 T2 时刻分别执行了下面查询语句，途中没有执行其他任何语句：

SELECT * FROM t_test WHERE id > 100;

只要 T1 和 T2 时刻执行产生的结果集是不相同的，那就发生了幻读的问题，比如：

  • T1 时间执行的结果是有 5 条行记录，而 T2 时间执行的结果是有 6 条行记录，那就发生了幻读的问题。
  • T1 时间执行的结果是有 5 条行记录，而 T2 时间执行的结果是有 4 条行记录，也是发生了幻读的问题。

隔离级别

当多个事务并发执行时可能会遇到「脏读、不可重复读、幻读」的现象，这些现象会对事务的一致性产生不同程序的影响。

  • 脏读：读到其他事务未提交的数据；
  • 不可重复读：前后读取的数据不一致；
  • 幻读：前后读取的记录数量不一致。

这三个现象的严重性排序如下：

图片

SQL 标准提出了四种隔离级别来规避这些现象，隔离级别越高，性能效率就越低，这四个隔离级别如下：

  • 读未提交（read uncommitted），指一个事务还没提交时，它做的变更就能被其他事务看到；
  • 读提交（read committed），指一个事务提交之后，它做的变更才能被其他事务看到；
  • 可重复读（repeatable read），指一个事务执行过程中看到的数据，一直跟这个事务启动时看到的数据是一致的，MySQL InnoDB 引擎的默认隔离级别；
  • 串行化（serializable ）；会对记录加上读写锁，在多个事务对这条记录进行读写操作时，如果发生了读写冲突的时候，后访问的事务必须等前一个事务执行完成，才能继续执行；

针对不同的隔离级别，并发事务时可能发生的现象也会不同。

图片

也就是说：

  • 在「读未提交」隔离级别下，可能发生脏读、不可重复读和幻读现象；
  • 在「读提交」隔离级别下，可能发生不可重复读和幻读现象，但是不可能发生脏读现象；
  • 在「可重复读」隔离级别下，可能发生幻读现象，但是不可能脏读和不可重复读现象；
  • 在「串行化」隔离级别下，脏读、不可重复读和幻读现象都不可能会发生。

所以，要解决脏读现象，就要升级到「读提交」以上的隔离级别；要解决不可重复读现象，就要升级到「可重复读」的隔离级别，要解决幻读现象不建议将隔离级别升级到「串行化」。

不同的数据库厂商对 SQL 标准中规定的 4 种隔离级别的支持不一样，有的数据库只实现了其中几种隔离级别，我们讨论的 MySQL 虽然支持 4 种隔离级别，但是与SQL 标准中规定的各级隔离级别允许发生的现象却有些出入。

MySQL 在「可重复读」隔离级别下，可以很大程度上避免幻读现象的发生（注意是很大程度避免，并不是彻底避免），所以 MySQL 并不会使用「串行化」隔离级别来避免幻读现象的发生，因为使用「串行化」隔离级别会影响性能。

MySQL InnoDB 引擎的默认隔离级别虽然是「可重复读」，但是它很大程度上避免幻读现象（并不是完全解决了），解决的方案有两种：

  • 针对快照读（普通 select 语句），是通过 MVCC 方式解决了幻读，因为可重复读隔离级别下，事务执行过程中看到的数据，一直跟这个事务启动时看到的数据是一致的，即使中途有其他事务插入了一条数据，是查询不出来这条数据的，所以就很好了避免幻读问题。
  • 针对当前读（select ... for update 等语句），是通过 next-key lock（记录锁+间隙锁）方式解决了幻读，因为当执行 select ... for update 语句的时候，会加上 next-key lock，如果有其他事务在 next-key lock 锁范围内插入了一条记录，那么这个插入语句就会被阻塞，无法成功插入，所以就很好了避免幻读问题。

快照读是如何避免幻读的？

可重复读隔离级是由 MVCC（多版本并发控制）实现的，实现的方式是启动事务后，在执行个查询语句后，会创建一个 Read View，后续的查询语句利用这个 Read View，通过这个  Read View 就可以在 undo log 版本链找到事务开始时的数据，所以事务过程中每次查询的数据都是一样的，即使中途有其他事务插入了新纪录，是查询不出来这条数据的，所以就很好了避免幻读问题。

做个实验，数据库表 t_stu 如下，其中 id 为主键。

然后在可重复读隔离级别下，有两个事务的执行顺序如下：

从这个实验结果可以看到，即使事务 B 中途插入了一条记录，事务 A 前后两次查询的结果集都是一样的，并没有出现所谓的幻读现象。

当前读是如何避免幻读的？

MySQL 里除了普通查询是快照读，其他都是当前读，比如 update、insert、delete，这些语句执行前都会查询新版本的数据，然后再做进一步的操作。

这很好理解，假设你要 update 一个记录，另一个事务已经 delete 这条记录并且提交事务了，这样不是会产生冲突吗，所以 update 的时候肯定要知道新的数据。

另外，select ... for update 这种查询语句是当前读，每次执行的时候都是读取新的数据。

接下来，我们假设select ... for update当前读是不会加锁的（实际上是会加锁的），在做一遍实验。

这时候，事务 B 插入的记录，就会被事务 A 的第二条查询语句查询到（因为是当前读），这样就会出现前后两次查询的结果集合不一样，这就出现了幻读。

所以，Innodb 引擎为了解决「可重复读」隔离级别使用「当前读」而造成的幻读问题，就引出了间隙锁。（额外提一句，读提交隔离级别，是没有间隙锁的，只有记录锁）

假设，表中有一个范围 id 为（3，5）间隙锁，那么其他事务就无法插入 id = 4 这条记录了，这样就有效的防止幻读现象的发生。

举个具体例子，场景如下：

事务 A 执行了这条当前读语句后，就在对表中的记录加上 id 范围为 (2, +∞] 的 next-key lock（next-key lock 是间隙锁+记录锁的组合）。

然后，事务 B 在执行插入语句的时候，判断到插入的位置被事务 A 加了  next-key lock，于是事物 B 会生成一个插入意向锁，同时进入等待状态，直到事务 A 提交了事务。这就避免了由于事务 B 插入新记录而导致事务 A 发生幻读的现象。

幻读被彻底解决了吗？

可重复读隔离级别下虽然很大程度上避免了幻读，但是还是没有能完全解决幻读。

我举例两个可重复读隔离级别发生幻读现象的场景。

个发生幻读现象的场景

还是以这张表作为例子：

事务 A 执行查询 id = 5 的记录，此时表中是没有该记录的，所以查询不出来。

# 事务 A
mysql> begin;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> select * from t_stu where id = 5;
Empty set (0.01 sec)

然后事务 B 插入一条 id = 5 的记录，并且提交了事务。

# 事务 B
mysql> begin;
Query OK,  rows affected (0.00 sec)

mysql> insert into t_stu values(5, '小美', 18);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

mysql> commit;
Query OK,  rows affected (0.00 sec)

此时，事务 A  更新 id = 5 这条记录，对没错，事务 A 看不到 id = 5 这条记录，但是他去更新了这条记录，这场景确实很违和，然后再次查询 id = 5 的记录，事务 A 就能看到事务 B 插入的纪录了，幻读就是发生在这种违和的场景。

# 事务 A
mysql> update t_stu set name = '小林coding' where id = 5;
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Rows matched: 1  Changed: 1  Warnings: 0

mysql> select * from t_stu where id = 5;
+----+--------------+------+
| id | name         | age  |
+----+--------------+------+
|  5 | 小林coding   |   18 |
+----+--------------+------+
1 row in set (0.00 sec)

整个发生幻读的时序图如下：

在可重复读隔离级别下，事务 A 次执行普通的 select 语句时生成了一个 ReadView，之后事务 B 向表中新插入了一条 id = 5 的记录并提交。接着，事务 A 对 id = 5 这条记录进行了更新操作，在这个时刻，这条新记录的 trx_id 隐藏列的值就变成了事务 A 的事务 id，之后事务 A  再使用普通 select 语句去查询这条记录时就可以看到这条记录了，于是就发生了幻读。

因为这种特殊现象的存在，所以我们认为 MySQL Innodb 中的 MVCC 并不能完全避免幻读现象。

第二个发生幻读现象的场景

除了上面这一种场景会发生幻读现象之外，还有下面这个场景也会发生幻读现象。

  • T1 时刻：事务 A 先执行「快照读语句」：select * from t_test where id > 100 得到了 3 条记录。
  • T2 时刻：事务 B 往插入一个 id= 200 的记录并提交；
  • T3 时刻：事务 A 再执行「当前读语句」 select * from t_test where id > 100 for update 就会得到 4 条记录，此时也发生了幻读现象。

要避免这类特殊场景下发生幻读的现象的话，就是尽量在开启事务之后，马上执行 select ... for update 这类当前读的语句，因为它会对记录加 next-key lock，从而避免其他事务插入一条新记录。

小结

MySQL InnoDB 引擎的可重复读隔离级别（默认隔离级），根据不同的查询方式，分别提出了避免幻读的方案：

  • 针对快照读（普通 select 语句），是通过 MVCC 方式解决了幻读。
  • 针对当前读（select ... for update 等语句），是通过 next-key lock（记录锁+间隙锁）方式解决了幻读。

我举例了两个发生幻读场景的例子。

个例子：对于快照读， MVCC 并不能完全避免幻读现象。因为当事务 A 更新了一条事务 B 插入的记录，那么事务 A 前后两次查询的记录条目就不一样了，所以就发生幻读。

第二个例子：对于当前读，如果事务开启后，并没有执行当前读，而是先快照读，然后这期间如果其他事务插入了一条记录，那么事务后续使用当前读进行查询的时候，就会发现两次查询的记录条目就不一样了，所以就发生幻读。

所以，MySQL 可重复读隔离级别并没有彻底解决幻读，只是很大程度上避免了幻读现象的发生。

要避免这类特殊场景下发生幻读的现象的话，就是尽量在开启事务之后，马上执行 select ... for update 这类当前读的语句，因为它会对记录加 next-key lock，从而避免其他事务插入一条新记录。


以上文章来源于公众号-小林coding ，作者小林coding  

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