為什么需要插入意向鎖？

作者：操盛春 2023-07-03 08:15:46

本文基于 MySQL 8.0.32 源碼，存儲引擎為 InnoDB，事務隔離級別為可重復讀。

不久之前，有位讀者問了一個關于 insert intention waiting 的問題，回答過程中，我還把意向鎖（intention lock）和插入意向鎖（insert intention lock）搞混了，實際上這是 2 種不同類型的鎖。

為此，我研究了下插入意向鎖，于是有了這篇文章。

本文基于 MySQL 8.0.32 源碼，存儲引擎為 InnoDB，事務隔離級別為可重復讀。如需轉載，請聯系『一樹一溪』公眾號作者，轉載后請標明來源。

正文

1、什么是插入意向鎖？

我們先來看看官方定義：插入意向鎖是由 INSERT 操作在插入記錄之前加的一種間隙鎖。

官方文檔原文如下：

An insert intention lock
  is a type of gap lock
  set by INSERT operations
  prior to row insertion.

我們再來看看插入意向鎖的加鎖代碼：

// 為了方便閱讀，代碼格式做了調整。
// storage/innobase/lock/lock0lock.cc
dberr_t lock_rec_insert_check_and_lock(...)
{
  ...
  const ulint type_mode = 
              LOCK_X | 
              LOCK_GAP | 
              LOCK_INSERT_INTENTION;

  const auto conflicting =
      lock_rec_other_has_conflicting(type_mode, block, heap_no, trx);
  ...
  if (conflicting.wait_for != nullptr) {
    RecLock rec_lock(thr, index, block, heap_no, type_mode);

    trx_mutex_enter(trx);

    err = rec_lock.add_to_waitq(conflicting.wait_for);

    trx_mutex_exit(trx);
  }
  ...
}

type_mode 包含了 3 個標志位：

LOCK_X，表示這是個排他鎖。
LOCK_GAP，表示這是個間隙鎖。
LOCK_INSERT_INTENTION，表示這是插入意向鎖。

代碼和官方文檔可以相互印證：插入意向鎖是一種排他（LOCK_X）間隙鎖（LOCK_GAP）。

2、為什么需要插入意向鎖？

通過前面的介紹，我們知道了：插入意向鎖本質上是間隙鎖。

那么，問題來了：既然有了間隙鎖，那還弄個插入意向鎖干啥？

答案當然是有用了。

有啥用？

說來話長。

那我們就長話長說，先從間隙鎖說起。

我們先來看一下間隙鎖的特點：

間隙鎖的唯一用途是阻止其它事務插入記錄到間隙中，以實現可重復讀。
共享間隙鎖、排他間隙鎖的功能完全一樣。
間隙鎖可以共存，一個事務持有某個間隙的鎖，該間隙鎖釋放之前，其它事務也可以申請并獲得該間隙的鎖，并且不區分共享鎖還是排他鎖。

由于多個間隙鎖可以共存，插入記錄需要加鎖時，如果直接使用間隙鎖，一個事務鎖住了某個間隙，其它事務執行 INSERT 語句還可以插入記錄到該間隙中，也就違背了間隙鎖用于實現可重復讀這一特點了。

為了解決這個問題，InnoDB 引入了插入意向鎖。

上一小節，我們從 lock_rec_insert_check_and_lock() 代碼看到了插入間隙鎖的 type_mode：

const ulint type_mode = 
            LOCK_X | 
            LOCK_GAP | 
            LOCK_INSERT_INTENTION;

實際上，插入意向鎖就是在排他間隙鎖的基礎上打了個 LOCK_INSERT_INTENTION 標志。

我們通過具體的應用場景來看一下 LOCK_INSERT_INTENTION 標志的作用機制：

圖片

事務 T 執行 INSERT 語句，插入記錄 R 到某個表的記錄 R1 之前。

如果其它事務對 R1 前面的間隙加了（共享或排他）間隙鎖，事務 T 會申請對該間隙加插入意向鎖。

因為插入意向鎖有 LOCK_INSERT_INTENTION 標志，識別到這個標志，InnoDB 就會讓 INSERT 語句進入等待狀態。

直到 R1 前面間隙的鎖被釋放，INSERT 語句才能獲得插入意向鎖，插入記錄 R 到 R1 前面的間隙中。

通過 LOCK_INSERT_INTENTION 標志的介紹可以看到，插入記錄時，只有使用插入意向鎖，其它事務持有的間隙鎖才能阻止插入操作插入記錄到間隙中。

也就是說，間隙鎖需要插入意向鎖的配合，才能實現可重復讀，這就是為什么需要插入意向鎖的原因了。

3、插入意向鎖和其它鎖的關系

為了介紹這一小節的內容，我們需要先做點準備工作。

創建測試表：

USE `test`;

CREATE TABLE `t1` (
  `id` int unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `i1` int DEFAULT '0',
  PRIMARY KEY (`id`) USING BTREE
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb3;

插入測試數據：

INSERT INTO `t1`(`id`, `i1`)
VALUES (10, 101), (20, 201), (30, 301);

數據如下：

通過以下命令創建 3 個數據庫連接備用：

mysql -h127.0.0.1 -uroot -D test

3 個連接分別命名為 session 1、session 2、session 3。

（1）間隙鎖會阻塞插入意向鎖

我們可以按以下步驟，驗證間隙鎖會阻塞插入意向鎖。

第 1 步，在 session 1 中執行以下 SQL，對 id = 20 的記錄加間隙鎖：

BEGIN;

SELECT * FROM `t1`
WHERE `id` > 10 AND `id` < 20
FOR SHARE;

SELECT 語句會鎖住 id = 20 的記錄前面的間隙。

第 2 步，在 session 2 中執行以下 SQL，插入一條記錄到 id = 20 的記錄之前：

BEGIN;

INSERT INTO `t1`(`id`, `i1`)
VALUES (12, 121);

INSERT 語句發現 id = 20 的記錄前面的間隙被鎖住了，會申請對該間隙加插入意向鎖，并進入等待狀態。

第 3 步，在 session 3 中執行以下 SQL，查看加鎖情況：

SELECT
  `engine_transaction_id` as `trx_id`,
  `object_name` as `table`,
  `index_name` as `index`,
  `lock_type`, `lock_mode`,
  `lock_status`, `lock_data`
FROM `performance_schema`.`data_locks`
WHERE `lock_type` = 'RECORD'
AND object_schema = 'test';

圖片

通過加鎖情況，我們可以確認間隙鎖會阻塞插入意向鎖：

session 1 的 SELECT 語句持有間隙鎖（lock_mode 包含 GAP）。
session 2 的 INSERT 語句正在等待插入意向鎖（lock_mode 包含 INSERT_INTENTION）。

最后，在 session 1、session 2 中執行 ROLLBACK 語句，回滾事務，為后面的驗證工作做準備。

（2）插入意向鎖不會阻塞間隙鎖

我們可以按以下步驟，驗證插入意向鎖不會阻塞間隙鎖。

第 1 步，在 session 1 中執行以下 SQL，對 id = 20 的記錄加間隙鎖：

BEGIN;

SELECT * FROM `t1`
WHERE `id` > 10 AND `id` < 20
FOR SHARE;

SELECT 語句會鎖住 id = 20 的記錄前面的間隙。

第 1 步加間隙鎖，是為了引發第 2 步的 INSERT 語句加插入意向鎖。

第 2 步，在 session 2 中執行以下 SQL，插入一條記錄到 id = 20 的記錄之前：

BEGIN;

INSERT INTO `t1`(`id`, `i1`)
VALUES (12, 121);

INSERT 語句發現 id = 20 的記錄前面的間隙被鎖住了，會申請對該間隙加插入意向鎖，并進入等待狀態。

第 3 步，在 session 1 中執行以下 SQL，回滾事務：

ROLLBACK;

SELECT 語句釋放間隙鎖之后，第 2 步 session 2 中的 INSERT 語句成功獲得插入意向鎖。

第 4 步，在 session 1 中執行以下 SQL，對 id = 20 的記錄加間隙鎖：

BEGIN;

SELECT * FROM `t1`
-- `id` > xx 中的 xx 取值為 15
WHERE `id` > 15 AND `id` < 20
FOR SHARE;

注意：因為第 2 步的 INSERT 語句在 id = 10 ~ 20 之間插入了 id = 12 的記錄，第 4 步 WHERE 條件 id > xx 中的 xx 必須大于 12，否則會觸發 id = 12 的記錄上的隱式鎖邏輯，導致 SELECT 語句等待 id = 20 的記錄上的 next-key 鎖。

第 5 步，在 session 3 中執行以下 SQL，查看加鎖情況：

SELECT
  `engine_transaction_id` as `trx_id`,
  `object_name` as `table`,
  `index_name` as `index`,
  `lock_type`, `lock_mode`,
  `lock_status`, `lock_data`
FROM `performance_schema`.`data_locks`
WHERE `lock_type` = 'RECORD'
AND object_schema = 'test';

通過加鎖情況，我們可以確認插入意向鎖不會阻塞間隙鎖：

session 2 中，第 2 步的 INSERT 語句持有插入意向鎖（lock_mode 包含 INSERT_INTENTION）。
session 1 中，第 4 步的 SELECT 語句成功獲得了間隙鎖（lock_mode 包含 GAP）。

最后，在 session 1、session 2 中執行 ROLLBACK 語句，回滾事務，為后面的驗證工作做準備。

（3）插入意向鎖相互之間不會阻塞

我們可以按以下步驟，驗證插入意向鎖相互之間不會阻塞。

第 1 步，在 session 1 中執行以下 SQL，對 id = 20 的記錄加間隙鎖：

BEGIN;

SELECT * FROM `t1`
WHERE `id` > 10 AND `id` < 20
FOR SHARE;

SELECT 語句會鎖住 id = 20 的記錄前面的間隙。

執行這一步是為了讓第 2、3 步的 INSERT 語句都申請對 id = 20 的記錄前面的間隙加插入意向鎖，并進入等待狀態。

第 2 步，在 session 2 中執行以下 SQL，插入一條記錄到 id = 20 的記錄之前：

BEGIN;

INSERT INTO `t1`(`id`, `i1`)
VALUES (12, 121);

INSERT 語句發現 id = 20 的記錄前面的間隙被鎖住了，會申請對該間隙加插入意向鎖，并進入等待狀態。

第 3 步，在 session 3 中執行以下 SQL，插入一條記錄到 id = 20 的記錄之前：

BEGIN;

INSERT INTO `t1`(`id`, `i1`)
VALUES (15, 151);

INSERT 語句發現 id = 20 的記錄前面的間隙被鎖住了，會申請對該間隙加插入意向鎖，并進入等待狀態。

第 4 步，在 session 1 中執行以下 SQL，查看鎖等待情況：

SELECT
  `engine_transaction_id` as `trx_id`,
  `object_name` as `table`,
  `index_name` as `index`,
  `lock_type`, `lock_mode`,
  `lock_status`, `lock_data`
FROM `performance_schema`.`data_locks`
WHERE `lock_type` = 'RECORD'
AND object_schema = 'test';

圖片

由于 id = 20 的記錄前面的間隙被第 1 步的 SELECT 語句鎖住了，第 2、3 步的 INSERT 語句正在等待該間隙的插入意向鎖。

第 5 步，在 session 1 中執行回滾語句，釋放 id = 20 的記錄上的間隙鎖：

ROLLBACK;

第 6 步，在 session 1 中執行以下 SQL，查看加鎖情況：

SELECT
  `engine_transaction_id` as `trx_id`,
  `object_name` as `table`,
  `index_name` as `index`,
  `lock_type`, `lock_mode`,
  `lock_status`, `lock_data`
FROM `performance_schema`.`data_locks`
WHERE `lock_type` = 'RECORD'
AND object_schema = 'test';

第 2、3 步的 INSERT 語句同時獲得了 id = 20 的記錄前面間隙的插入意向鎖。

通過加鎖情況，我們可以確認插入意向鎖相互之間不會阻塞。

3.4 next-key 鎖和插入意向鎖會相互阻塞嗎？

對于 next-key 鎖和插入意向鎖是否會相互阻塞，這里只給出結論：

next-key 鎖會阻塞插入意向鎖。
插入意向鎖不會阻塞 next-key 鎖。

感興趣的讀者可以按照 3.1、3.2 小節的步驟自行測試，畢竟自己動手獲得的知識才會記得更牢。

測試時，需要把 SELECT 語句 WHERE 條件中的 id < 20 替換為 id <= 20，確保 SELECT 語句加的是 next-key 鎖而不是普通的間隙鎖。

4. 怎么知道加了插入意向鎖？

我們通過查詢 performance_schema.data_locks，可以知道某個事務是否申請了對某個間隙加插入間隙鎖，這種方式我們在上一小節中已經使用過多次。

如果查詢結果中某條記錄的 lock_mode 字段包含 INSERT_INTENTION，說明對應的事務申請了加插入意向鎖。

lock_status = WAITING 說明正在等待插入意向鎖。

lock_status = GRANTED 說明已經獲得了插入意向鎖。

還有一種方式，只能看到正在等待的插入意向鎖，無法看到已經獲得的插入意向鎖。

執行 SHOW ENGINE InnoDB STATUS 語句，部分結果如下：

-- 為了方便閱讀，對以下結果的格式做了調整
-- TRX HAS BEEN WAITING 2 SEC FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 0 page no 47
       n bits 72
       index PRIMARY of table `test`.`t1`

       trx id 133955
       lock_mode X
       locks gap before rec
       insert intention waiting

通過以上結果，我們可以得到以下信息：

事務 133955 正在等待（waiting）獲取插入意向鎖（insert intention）：

lock_mode X 對應 type_mode 中的 LOCK_X。
locks gap before rec 對應 type_mode 中的 LOCK_GAP。
insert intention 對應 type_mode 中的 LOCK_INSERT_INTENTION。

5、總結

在排他（LOCK_X）間隙鎖（LOCK_GAP）的基礎上增加 LOCK_INSERT_INTENTION 標志，就得到了插入意向鎖，所以，從本質上來說，插入意向鎖是個特殊的間隙鎖。

間隙鎖需要插入意向鎖的配合，才能阻塞其它事務插入記錄到某個間隙中，從而實現可重復讀，這就是需要插入意向鎖的原因了。

責任編輯：姜華來源：一樹一溪

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