MySql 三大知识点——索引、锁、事务

作者：莫那鲁道原文：http://thinkinjava.cn/2019/03/16/2019-03-16-mysql/

1. 索引

索引，类似书籍的目录，可以根据目录的某个页码立即找到对应的内容。

索引的优点：1. 天生排序。2. 快速查找。
索引的缺点：1. 占用空间。2. 降低更新表的速度。

注意点：小表使用全表扫描更快，中大表才使用索引。超级大表索引基本无效。

索引从实现上说，分成 2 种：聚集索引和辅助索引（也叫二级索引或者非聚集索引）

从功能上说，分为 6 种：普通索引，唯一索引，主键索引，复合索引，外键索引，全文索引。

详细说说 6 种索引：

1、普通索引：最基本的索引，没有任何约束。
2、唯一索引：与普通索引类似，但具有唯一性约束。
3、主键索引：特殊的唯一索引，不允许有空值。
4、复合索引：将多个列组合在一起创建索引，可以覆盖多个列。
5、外键索引：只有InnoDB类型的表才可以使用外键索引，保证数据的一致性、完整性和实现级联操作。
6、全文索引：MySQL 自带的全文索引只能用于 InnoDB、MyISAM ，并且只能对英文进行全文检索，一般使用全文索引引擎（ES，Solr）。

注意：主键就是唯一索引，但是唯一索引不一定是主键，唯一索引可以为空，但是空值只能有一个，主键不能为空。

另外，InnoDB 通过主键聚簇数据，如果没有定义主键且没有定义聚集索引， MySql 会选择一个唯一的非空索引代替，如果没有这样的索引，会隐式定义个 6 字节的主键作为聚簇索引，用户不能查看或访问。

简单点说：

设置主键时，会自动生成一个唯一索引，如果之前没有聚集索引，那么主键就是聚集索引。
没有设置主键时，会选择一个不为空的唯一索引作为聚集索引，如果还没有，那就生成一个隐式的 6 字节的索引。

MySql 将数据按照页来存储，默认一页为 16kb，当你在查询时，不会只加载某一条数据，而是将这个数据所在的页都加载到 pageCache 中，这个其实和 OS 的就近访问原理类似。

MySql 的索引使用 B+ 树结构。在说 B+ 树之前，先说说 B 树，B 树是一个多路平衡查找树，相较于普通的二叉树，不会发生极度不平衡的状况，同时也是多路的。

B 树的特点是：他会将数据也保存在非页子节点。

看图可知：

MySql 三大知识点——索引、锁、事务

而这个特点会导致非页子节点不能存储大量的索引。

而 B+ Tree 就是针对这个对 B tree 做了优化。如下图所示：

MySql 三大知识点——索引、锁、事务

我们看到，B+ Tree 将所有的 data 数据都保存到了叶子节点中，非也子节点只保存索引和指针。

我们假设一个非页子节点是 16kb，每个索引，即主键是 bigint，即 8b，指针为 8b。那么每页能存储大约 1000 个索引（16kb/ 8b + 8b）.

而一颗 3 层的 B+树能够存储多少索引呢？如下图：

MySql 三大知识点——索引、锁、事务

大约能够存储 10 亿个索引。通常 B+ 树的高度在 2-4 层，由于 MySql 在运行时，根节点是常驻内存的，因此每次查找只需要大约 2 -3 次 IO。可以说，B+ 树的设计，就是根据机械磁盘的特性来进行设计的。

知道了索引的设计，我们能够知道另外一些信息：

MySql 的主键不能太大，如果使用 UUID 这种，将会浪费 B+ 树的非叶子节点。
MySql 的主键最好是自增的，如果使用 UUID 这种，每次插入都会调整 B+树，从而导致页分裂，严重影响性能。

那么，如果项目中使用了分库分表，我们通常都会需要一个主键进行 sharding，那怎么办呢？在实现上，我们可以保留自增主键，而逻辑主键用来作为唯一索引即可。

2. 锁机制

关于 Mysql 的锁，各种概念就会喷涌而出，事实上，锁有好几种维度，我们来解释一下。

1. 类型维度

共享锁（读锁 / S 锁）
排它锁（写锁 / X 锁）

类型细分：
意向共享锁
意向排他（互斥）锁
悲观锁（使用锁，即 for update）
乐观锁（使用版本号字段，类似 CAS 机制，即用户自己控制。缺点：并发很高的时候，多了很多无用的重试）

2. 锁的粒度（粒度维度）

表锁
页锁（Mysql BerkeleyDB 引擎）
行锁（InnoDB）

3. 锁的算法（算法维度）

Record Lock（单行记录）
Gap Lock（间隙锁，锁定一个范围，但不包含锁定记录）
Next-Key Lock（Record Lock + Gap Lock，锁定一个范围，并且锁定记录本身， MySql 防止幻读，就是使用此锁实现）

4. 默认的读操作，上锁吗？

默认是 MVCC 机制（“一致性非锁定读”）保证 RR 级别的隔离正确性，是不上锁的。

可以选择手动上锁：select xxxx for update (排他锁); select xxxx lock in share mode(共享锁)，称之为“一致性锁定读”。

使用锁之后，就能在 RR 级别下，避免幻读。当然，默认的 MVCC 读，也能避免幻读。

既然 RR 能够防止幻读，那么，SERIALIZABLE 有啥用呢？

防止丢失更新。例如下图：

MySql 三大知识点——索引、锁、事务

这个时候，我们必须使用 SERIALIZABLE 级别进行串行读取。

最后，行锁的实现原理就是锁住聚集索引，如果你查询的时候，没有正确地击中索引，MySql 优化器将会抛弃行锁，使用表锁。

3. 事务

事务是数据库永恒不变的话题， ACID：原子性，一致性，隔离性，持久性。

四个特性，最重要的就是一致性。而一致性由原子性，隔离性，持久性来保证。

原子性由 Undo log 保证。Undo Log 会保存每次变更之前的记录，从而在发生错误时进行回滚。
隔离性由 MVCC 和 Lock 保证。这个后面说。
持久性由 Redo Log 保证。每次真正修改数据之前，都会将记录写到 Redo Log 中，只有 Redo Log 写入成功，才会真正的写入到 B+ 树中，如果提交之前断电，就可以通过 Redo Log 恢复记录。

然后再说隔离性。

隔离级别：

未提交读（RU）
已提交读（RC）
可重复读（RR）
串行化（serializable）

每个级别都会解决不同的问题，通常是3 个问题：脏读，不可重复读，幻读。一张经典的图：

MySql 三大知识点——索引、锁、事务

这里有个注意点，关于幻读，在数据库规范里，RR 级别会导致幻读，但是，由于 Mysql 的优化，MySql 的 RR 级别不会导致幻读：在使用默认的 select 时，MySql 使用 MVCC 机制保证不会幻读；你也可以使用锁，在使用锁时，例如 for update（X 锁），lock in share mode（S 锁），MySql 会使用 Next-Key Lock 来保证不会发生幻读。前者称为快照读，后者称为当前读。

原理剖析：

RU 发生脏读的原因：RU 原理是对每个更新语句的行记录进行加锁，而不是对整个事务进行加锁，所以会发生脏读。而 RC 和 RR 会对整个事务加锁。
RC 不能重复读的原因：RC 每次执行 SQL 语句都会生成一个新的 Read View，每次读到的都是不同的。而 RR 的事务从始至终都是使用同一个 Read View。
RR 不会发生幻读的原因：上面说过了。

那 RR 和 Serializble 有什么区别呢？答：丢失更新。本文关于锁的部分已经提到。

MVCC 介绍：全称多版本并发控制。

innoDB 每个聚集索引都有 4 个隐藏字段，分别是主键（RowID），最近更改的事务 ID（MVCC 核心），Undo Log 的指针（隔离核心），索引删除标记（当删除时，不会立即删除，而是打标记，然后异步删除）；

本质上，MVCC 就是用 Undo Log 链表实现。

MVCC 的实现方式：事务以排它锁的方式修改原始数据，把修改前的数据存放于 Undo Log，通过回滚指针与数据关联，如果修改成功，什么都不做，如果修改失败，则恢复 Undo Log 中的数据。

多说一句，通常我们认为 MVCC 是类似乐观锁的方式，即使用版本号，而实际上，innoDB 不是这么实现的。当然，这不影响我们使用 MySql。