# 锁
## lock 和 latch
在mysql数据库中，lock和latch都可以被称之为锁，但是两者锁包含意义不同。
### latch
latch一般为轻量级的锁，要求锁定时间通常非常短，否则会影响性能。在innodb中，latch可以分为mutex和rwlock。

`latch通常被用于防止代码中临界资源的并发访问`，保证并发操作的安全性。latch操作通常没有死锁检测机制。

### lock
lock和latch则稍有区别，lock一般针对的是事务，用于锁定数据库中的表、页、行等数据。并且，`lock一般在数据库事务进行commit或rollback后才释放`。

在innodb中，lock拥有死锁检测机制。

latch和lock的比较如下：
| | lock | latch |
| :-: | :-: | :-: |
| 对象 | 事务 | 线程 |
| 保护 | 数据库内容 | 代码中的临界资源 |
| 持续时间 | 整个事务过程 | 临界资源 |
| 模式 | 行锁、表锁、意向锁 | 读写锁、互斥量 |
| 死锁 | 通过waits-for graph、timeout等机制检测死锁 | 无死锁检测机制 |

在innodb中，可以通过`show engine innodb status`以及`information_schema`下的`innodb_trx`来查看锁的情况。

## innodb中的锁
innodb中针对行级锁有如下两种实现：
- S lock(共享锁)：允许事务针对一行数据进行读取
- X lock(排他锁)：允许事务针对一行数据进行更新和删除

S lock和S lock之间可以互相兼容，但是S lock和X lock、 X lock和 X lock之间都是不兼容的。当一个事务t持有某行数据的X lock时，其他事务必须等待事务t提交或回滚之后才能获取该行数据的S lock或X lock。

除了行锁之外，innodb还支持多粒度的锁定，允许行级和表级的锁同时存在。为了支持该操作，innodb引入了一种额外的加锁方式`意向锁`。

### 意向锁
意向锁支持多粒度加锁，允许行锁和表锁共存。例如，`lock tables ... write`会在指定表上加X锁。为了在多个粒度上进行加锁，innodb使用了意向锁，意向锁是表级锁，代表事务稍后需要为表中的数据加上哪种锁。

意向锁分为两种类型：
- IS: 事务旨在为table中独立的行添加共享锁
- IX: 事务旨在为table中的行添加排他锁

例如，`select ... for share`设置IS锁，而`select ... for update`则设置了IX锁。

意向锁协议如下：
- 在事务获取table中某行记录的s锁之前，其必须获取table的IS或更高级别锁
- 在事务获取table中某行记录的x锁之前，其必须获取table的IX锁
  
table level锁的兼容性如下所示：
| | x | ix | s | is |
| :-: | :-: | :-: | :-: | :-: |
| x | 不兼容 | 不兼容 | 不兼容 | 不兼容 |
| ix | 不兼容 | 兼容 | 不兼容 | 兼容 |
| s | 不兼容 | 不兼容 | 兼容 | 兼容 |
| is | 不兼容 | 兼容 |  兼容 | 兼容 |

如果要加的锁和已经存在的锁兼容，那么它将被授予请求加锁的事务；要加的锁和已经存在的锁冲突时，则不会授予。请求加锁的事务将会阻塞，一直等待到存在冲突的锁被释放。

如果事务中的锁请求因为与现有锁冲突而无法被授予，并且造成死锁，那么会抛出异常。

> 意向锁和意向锁之间是兼容的，故而意向锁只会和全表扫描相冲突。

引入意向锁的意图是展示有人锁定了表中的某一行，或是将要锁定表中的某一行。

事务和意向锁相关的信息可以通过`show engine innodb status`来展示，其输出如下：
```
TABLE LOCK table `test`.`t` trx id 10080 lock mode IX
```

### Record Lock
记录锁是针对一条index record的锁。例如，`SELECT c1 FROM t WHERE c1 = 10 FOR UPDATE`语句会阻塞任何其他事务针对`c1 = 10`记录的插入、更新或删除。

records总是会针对index record加锁，即使当前table没有定义索引。对于table未定义索引的情况，innodb会创建一个隐藏的聚簇索引，并使用该聚簇索引来进行record lock。

事务相关record lock的信息，可以通过`SHOW ENGINE INNODB STATUS`来展示，其输出格式如下：
```
RECORD LOCKS space id 58 page no 3 n bits 72 index `PRIMARY` of table `test`.`t`
trx id 10078 lock_mode X locks rec but not gap
Record lock, heap no 2 PHYSICAL RECORD: n_fields 3; compact format; info bits 0
 0: len 4; hex 8000000a; asc     ;;
 1: len 6; hex 00000000274f; asc     'O;;
 2: len 7; hex b60000019d0110; asc        ;;
 ```

### 一致性读
####  一致性非锁定读
`一致性非锁定读`是指innodb通过mvcc（多版本并发控制）来读取行数据。如果当前待读取的行正在执行update或delete操作，那么此时`读取行的操作并不会被阻塞，而是会去读取当前被修改行的快照历史版本`。这种行为被成为`非锁定读`。

在非锁定读的场景下，事务读取行数据时并不需要等待其他事务持有的X锁释放，而是之前读取行数据的历史快照版本。`历史快照版本通过`undo log`来生成`。

非锁定读极大的提高了数据库的并发性，一个事务对行数据的写操作并不会阻塞其他的事务对该行进行读取。innodb在默认的隔离级别下，默认通过非锁定读来读取数据。

`在不同事务隔离级别下，读取数据的方式可能会不同，并非所有隔离级别都采用非锁定读的读取方式`。

> #### 多版本并发控制（mvcc）
> 在非锁定读场景下，一行数据通常不会只有一个历史版本，其数据快照并不只有一个，这被称为多版本并发控制。
>
> innodb对read committed和repeatable read隔离级别使用非锁定读，但是，两种隔离级别`快照定义并不相同`。
>
> #### read committed
>
> 在read committed隔离级别下，非锁定读总是会读取行数据`最新的快照`。
>
> #### repeatable read
> 在repeatable read隔离级别下，非锁定读则是会读取`事务开始时的行数据版本`。




#### 一致性锁定读 
在默认隔离级别下，read committed和repeatable read都是用非锁定读，但是，可以通过语法显式的支持锁定读。`用户可以通过加锁来保证读取数据的一致性`。

在通过select语句对数据加锁时，支持加两种类型的锁：
- select ... for update
- select ... lock in share mode

`select ... for update`实际是对读取的行记录加上X锁，其他事务均不能对该数据添加任何的锁。

`select ... lock in share mode`则是对读取的记录加上S锁，其他事务可以向被锁定记录加S锁，但是不能加X锁。

`对于非锁定读，即使数据被添加了X锁，也可以进行读取。`只有通过`for update`或`lock in share mode`在读取时添加X锁或S锁时，读取操作才会被阻塞。

并且，`for update`或`lock in share mode`添加的行锁，在事务commit或rollback时会被释放。


 ### Gap Lock
 gap lock是针对index record之间的间隙来进行加锁的（或是针对第一条index record之前或最后一条index record之后的间隙进行加锁）。例如，`SELECT c1 FROM t WHERE c1 BETWEEN 10 and 20 FOR UPDATE; `语句会阻止其他事务在c1值的`10~20`范围之间插入数据，不管这条数据存不存在，在`10~20`的间隙之前所有的值都被锁定了。

 间隙范围可能跨单个索引值，多个索引值甚至为空。

 间隙锁在部分的事务隔离级别中有使用，在其他隔离级别中则不会被使用。

 在通过unique index区查询唯一行时，并不需要使用间隙锁（并不包含unique复合索引的情况）。例如，在id为唯一索引的情况下，如下所示的语句只会使用index record lock：
 ```sql
 SELECT * FROM child WHERE id = 100;
 ```

 但是，如果id并不是索引，或者id的缩影并不unique，那么上述语句会对之前的间隙进行加锁。

 值得注意的是，不同事务针对同一间隙，可以持有相互冲突的锁。例如，A事务针对间隙持有S锁，而B事务针对间隙持有X锁，当index record从索引中被清除时，不同事务所持有的间隙锁将会被合并。

 在innodb中，间隙锁只是为了防止其他事务在该间隙中插入锁，间隙锁是可以共存的。如果事务A针对间隙加锁，这并不会阻止事务B获取同一间隙的锁。`间隙的S锁和X锁都遵循该规则,且S锁和X锁之间并不会相互冲突，间隙的S锁和X锁功能相同`。

 间隙锁可以被显示的禁用，如果将事务的隔离级别改为`read committed`，在查找和索引扫描时间隙锁将会被禁用，间隙锁只会被用于外键检查和重复key检查。

### 行锁算法
innodb中有三种行锁的算法，如下：
- Record Lock：单个行记录上的锁
- Gap Lock：间隙锁，锁定一个范围，但是不包含记录本身
- Next-Key Lock：Gap Lock + Record Lock，锁定一个范围，并且锁定记录本身

Record Lock是针对索引加的锁，`如果在建表时没有为表设置索引，那么innodb会采用隐式的主键来进行锁定。`

#### Next-Key Lock
Next-Key Lock结合了record lock和gap lock，如果一个索引中有10，11，13，20这四条记录，那么next-key lock的可锁定区间如下：
- (-∞, 10]
- (10, 11]
- (11, 13]
- (13, 20]
- (20, +∞)

Next-Key Lock是为了解决幻读问题而引入的，如果事务T1已经锁定了`(10, 11]`和`(11, 13]`区间，那么在T1插入值为12的记录时，锁定的范围会变为：
`(10, 11] (11, 12] (12, 13]`。

但是，`如果查询的索引为unique索引，那么innodb则是会针对next-key lock进行优化，将其降级为record lock，紧锁住索引本身，而不对范围进行加锁。`


#### insert-intention lock
插入意向锁是在插入行数据前，由`插入操作`设置的间隙锁。多个事务在针对同一间隙进行插入操作时，`如果他们并不在同一位置进行插入，那么各个事务之间并不需要彼此等待`。

例如，多个事务需要在`(4, 7)`的间隙之间插入值，但是A事务插入5，B事务插入6，那么在获取待插入行的X锁之前，都需要通过insert intention lock来锁住`(4, 7)`的间隙。插入意向锁之间并不会相互阻塞。


### 加锁示例
首先，创建数据库并预制数据
```sql
-- ddl
CREATE TABLE `t_learn_lock` (
  `id` bigint NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `content` varchar(32) NOT NULL DEFAULT '',
  `lv` int NOT NULL DEFAULT '-1',
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `idx_lv` (`lv`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=5 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci

-- dml
insert into t_lear_lock(id, content, lv) values
    (1, 'a', 3),
    (2, 'd', 7),
    (3, 'f', 9),
    (4, 'o', 13);
```

会话的事务默认隔离级别为repeatable read

#### performance_schema.data_locks
`performace_schema.data_locks`中存储了加锁情况，其表结构如下：
- engine：该锁代表的存储引擎
- engine_transaction_id: 存储引擎中标识事务的id
- thread_id: `创建该锁的会话`的线程id
- object_schema: 包含该表的schema
- object_name：表名称
- index_name: 被加锁的索引名称
- lock_type: 加锁的类型，对于innodb，其值为record或table，代表行锁或表锁
- lock_mode: 请求锁的方式，对于innodb，其格式为`S[,GAP], X[,GAP], IS[,GAP], IX[,GAP], AUTO_INC, and UNKNOWN`。
- lock_data:锁相关的数据
- lock_status: 请求锁的状态，在innodb中，可以为`GRANTED或WAITING`
  
> #### lock mode
> 在lock mode字段中，除了auto_inc和unknown之外的值都代表gap lock
>
> 其取值如下：
> - X： next_key_locking，`代表x和x之前的间隙`
> - X,GAP：间隙锁，`代表x之前的间隙，不包含x记录本身`
> - X, REC_NOT_GAP：`代表X记录本身，不包含之前的间隙`
> - X,GAP,INSERT_INTENTION：插入意向锁，彼此之前不互斥

#### select ... 加锁情况
在开启事务后，执行`select * from t_lear_lock`语句，默认`并不会为index record或表加上任何锁`，在可重复读的隔离级别下，默认会采用无锁的一致性读方式，来读取数据的历史版本快照，期间并不需要进行任何加锁操作。

#### select ... for update 加锁情况
在开启事务后，如果执行`select ... for update`语句，那么分为如下几种场景：

##### select语句未命中索引
若执行`select * from t_learn_lock where content < 'h' and content > 'e' for update for update;`语句，由于content字段上并没有添加索引，故而该查询语句并不会命中索引，possible_keys为空。

在未命中索引的情况下，`select ... for update`语句`会针对主键索引来进行加锁`，其加锁情况如下：

|INDEX_NAME|LOCK_TYPE|LOCK_MODE|LOCK_STATUS|LOCK_DATA|
|----------|---------|---------|-----------|---------|
||TABLE|IX|GRANTED||
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|supremum pseudo-record|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|1|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|2|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|3|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|4|

其中，`select * from t_learn_lock where content < 'h' and content > 'e' for update for update;`会查询出id为`3`的记录，但是由于未命中索引，`该语句会针对主键中所有的index record进行加锁`(包括 supremum prseudo-record)。

> ##### supremum preseudo-record
> 该index record并不是一条真实存在的索引记录，其代表了`比索引中所有记录的值都大的一条虚拟记录`，类似有序链表中的尾节点。

##### select语句命中非unique索引
当执行的select语句，其where条件命中非unique索引，`那么，其会针对命中索引以及主键索引都进行加锁`。

例如，`select * from t_learn_lock where lv between 4 and 8 for update;`，该语句会针对`idx_lv`索引记录和主键索引记录进行加锁，加锁状况如下：

|INDEX_NAME|LOCK_TYPE|LOCK_MODE|LOCK_STATUS|LOCK_DATA|
|----------|---------|---------|-----------|---------|
||TABLE|IX|GRANTED||
|idx_lv|RECORD|X|GRANTED|7, 2|
|idx_lv|RECORD|X|GRANTED|9, 3|
|PRIMARY|RECORD|X,REC_NOT_GAP|GRANTED|2|

上述查询语句会命中`(2, 'd', 7)`这条记录，但是，其针对索引加锁的操作如下：
- 对于`idx_lv`索引记录，不仅对语句查询出的`(7,2)`这条索引记录进行了加锁，还针对了下一条索引记录`(9,3)`进行了加锁
- 对于`primary`主键索引记录，则只针对查询出的id为2的记录进行了加锁`(2)`

对于`idx_lv`中`(9,3)`这条记录进行加锁，主要是为了防止幻读，当对`(9, 3)`这条记录加锁后，如果后续其他事务想要向lv值为`(7,9)`的范围内进行加锁时，需要获取




#### update ... 加锁情况
##### update语句未命中索引的加锁情况
类似于`select ... for update`未命中索引的情况，update操作在未命中索引的情况下，`也会针对主键索引的记录进行加锁，并且会获取主键索引中所有记录的锁`。

其加锁情况和`select ... for update`一样，例如`update t_learn_lock set content = 'fuck' where content = 'm';`，该语句并不会实际修改任何行记录，但是还是会锁住主键中所有的index record。

|INDEX_NAME|LOCK_TYPE|LOCK_MODE|LOCK_STATUS|LOCK_DATA|
|----------|---------|---------|-----------|---------|
||TABLE|IX|GRANTED||
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|supremum pseudo-record|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|1|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|2|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|3|
|PRIMARY|RECORD|X|GRANTED|4|