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给表加个字段怎么有这么多阻碍

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。

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。

全局锁的典型使用场景是,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。

但是让整库都只读,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。

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:

图1 业务和备份状态图

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

  • 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。

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。

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。

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。


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