mysql 45讲 18讲为什么这些SQL语句逻辑相同,性能却差异巨大

在MySQL中,有很多看上去逻辑相同,但性能却差异巨大的SQL语句。对这些语句使用不当的话,就会不经意间导致整个数据库的压力变大。

我今天挑选了三个这样的案例和你分享。希望再遇到相似的问题时,你可以做到举一反三、快速解决问题。

案例一:条件字段函数操作

假设你现在维护了一个交易系统,其中交易记录表tradelog包含交易流水号(tradeid)、交易员id(operator)、交易时间(t_modified)等字段。为了便于描述,我们先忽略其他字段。这个表的建表语句如下:

mysql> CREATE TABLE `tradelog` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `tradeid` varchar(32) DEFAULT NULL,
  `operator` int(11) DEFAULT NULL,
  `t_modified` datetime DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `tradeid` (`tradeid`),
  KEY `t_modified` (`t_modified`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

 

假设,现在已经记录了从2016年初到2018年底的所有数据,运营部门有一个需求是,要统计发生在所有年份中7月份的交易记录总数。这个逻辑看上去并不复杂,你的SQL语句可能会这么写:

mysql> select count(*) from tradelog where month(t_modified)=7;

 

由于t_modified字段上有索引,于是你就很放心地在生产库中执行了这条语句,但却发现执行了特别久,才返回了结果。

如果你问DBA同事为什么会出现这样的情况,他大概会告诉你:如果对字段做了函数计算,就用不上索引了,这是MySQL的规定。

现在你已经学过了InnoDB的索引结构了,可以再追问一句为什么?为什么条件是where t_modified=‘2018-7-1’的时候可以用上索引,而改成where month(t_modified)=7的时候就不行了?

下面是这个t_modified索引的示意图。方框上面的数字就是month()函数对应的值。

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图1 t_modified索引示意图

如果你的SQL语句条件用的是where t_modified=‘2018-7-1’的话,引擎就会按照上面绿色箭头的路线,快速定位到 t_modified=‘2018-7-1’需要的结果。

实际上,B+树提供的这个快速定位能力,来源于同一层兄弟节点的有序性。

但是,如果计算month()函数的话,你会看到传入7的时候,在树的第一层就不知道该怎么办了。

也就是说,对索引字段做函数操作,可能会破坏索引值的有序性,因此优化器就决定放弃走树搜索功能。

需要注意的是,优化器并不是要放弃使用这个索引。

在这个例子里,放弃了树搜索功能,优化器可以选择遍历主键索引,也可以选择遍历索引t_modified,优化器对比索引大小后发现,索引t_modified更小,遍历这个索引比遍历主键索引来得更快。因此最终还是会选择索引t_modified。

接下来,我们使用explain命令,查看一下这条SQL语句的执行结果。

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图2 explain 结果

key="t_modified"表示的是,使用了t_modified这个索引;我在测试表数据中插入了10万行数据,rows=100335,说明这条语句扫描了整个索引的所有值;Extra字段的Using index,表示的是使用了覆盖索引。

也就是说,由于在t_modified字段加了month()函数操作,导致了全索引扫描。为了能够用上索引的快速定位能力,我们就要把SQL语句改成基于字段本身的范围查询。按照下面这个写法,优化器就能按照我们预期的,用上t_modified索引的快速定位能力了。

mysql> select count(*) from tradelog where
    -> (t_modified >= 2016-7-1 and t_modified<2016-8-1) or
    -> (t_modified >= 2017-7-1 and t_modified<2017-8-1) or 
    -> (t_modified >= 2018-7-1 and t_modified<2018-8-1);

 

当然,如果你的系统上线时间更早,或者后面又插入了之后年份的数据的话,你就需要再把其他年份补齐。

到这里我给你说明了,由于加了month()函数操作,MySQL无法再使用索引快速定位功能,而只能使用全索引扫描。

不过优化器在个问题上确实有“偷懒”行为,即使是对于不改变有序性的函数,也不会考虑使用索引。比如,对于select * from tradelog where id + 1 = 10000这个SQL语句,这个加1操作并不会改变有序性,但是MySQL优化器还是不能用id索引快速定位到9999这一行。所以,需要你在写SQL语句的时候,手动改写成 where id = 10000 -1才可以。

案例二:隐式类型转换

接下来我再跟你说一说,另一个经常让程序员掉坑里的例子。

我们一起看一下这条SQL语句:

mysql> select * from tradelog where tradeid=110717;

 

交易编号tradeid这个字段上,本来就有索引,但是explain的结果却显示,这条语句需要走全表扫描。你可能也发现了,tradeid的字段类型是varchar(32),而输入的参数却是整型,所以需要做类型转换。

那么,现在这里就有两个问题:

  1. 数据类型转换的规则是什么?

  2. 为什么有数据类型转换,就需要走全索引扫描?

先来看第一个问题,你可能会说,数据库里面类型这么多,这种数据类型转换规则更多,我记不住,应该怎么办呢?

这里有一个简单的方法,看 select “10” > 9的结果:

  1. 如果规则是“将字符串转成数字”,那么就是做数字比较,结果应该是1;

  2. 如果规则是“将数字转成字符串”,那么就是做字符串比较,结果应该是0。

验证结果如图3所示。

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图3 MySQL中字符串和数字转换的效果示意图

从图中可知,select “10” > 9返回的是1,所以你就能确认MySQL里的转换规则了:在MySQL中,字符串和数字做比较的话,是将字符串转换成数字。

这时,你再看这个全表扫描的语句:

mysql> select * from tradelog where tradeid=110717;

 

就知道对于优化器来说,这个语句相当于:

mysql> select * from tradelog where  CAST(tradid AS signed int) = 110717;

 

也就是说,这条语句触发了我们上面说到的规则:对索引字段做函数操作,优化器会放弃走树搜索功能。

现在,我留给你一个小问题,id的类型是int,如果执行下面这个语句,是否会导致全表扫描呢?

select * from tradelog where id="83126";

 

你可以先自己分析一下,再到数据库里面去验证确认。

接下来,我们再来看一个稍微复杂点的例子。

案例三:隐式字符编码转换

假设系统里还有另外一个表trade_detail,用于记录交易的操作细节。为了便于量化分析和复现,我往交易日志表tradelog和交易详情表trade_detail这两个表里插入一些数据。

mysql> CREATE TABLE `trade_detail` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `tradeid` varchar(32) DEFAULT NULL,
  `trade_step` int(11) DEFAULT NULL, /*操作步骤*/
  `step_info` varchar(32) DEFAULT NULL, /*步骤信息*/
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `tradeid` (`tradeid`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

insert into tradelog values(1, aaaaaaaa, 1000, now());
insert into tradelog values(2, aaaaaaab, 1000, now());
insert into tradelog values(3, aaaaaaac, 1000, now());

insert into trade_detail values(1, aaaaaaaa, 1, add);
insert into trade_detail values(2, aaaaaaaa, 2, update);
insert into trade_detail values(3, aaaaaaaa, 3, commit);
insert into trade_detail values(4, aaaaaaab, 1, add);
insert into trade_detail values(5, aaaaaaab, 2, update);
insert into trade_detail values(6, aaaaaaab, 3, update again);
insert into trade_detail values(7, aaaaaaab, 4, commit);
insert into trade_detail values(8, aaaaaaac, 1, add);
insert into trade_detail values(9, aaaaaaac, 2, update);
insert into trade_detail values(10, aaaaaaac, 3, update again);
insert into trade_detail values(11, aaaaaaac, 4, commit);

 

这时候,如果要查询id=2的交易的所有操作步骤信息,SQL语句可以这么写:

mysql> select d.* from tradelog l, trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and l.id=2; /*语句Q1*/

 

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图4 语句Q1的explain 结果

我们一起来看下这个结果:

  1. 第一行显示优化器会先在交易记录表tradelog上查到id=2的行,这个步骤用上了主键索引,rows=1表示只扫描一行;

  2. 第二行key=NULL,表示没有用上交易详情表trade_detail上的tradeid索引,进行了全表扫描。

在这个执行计划里,是从tradelog表中取tradeid字段,再去trade_detail表里查询匹配字段。因此,我们把tradelog称为驱动表,把trade_detail称为被驱动表,把tradeid称为关联字段。

接下来,我们看下这个explain结果表示的执行流程:

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图5 语句Q1的执行过程

图中:

  • 第1步,是根据id在tradelog表里找到L2这一行;
  • 第2步,是从L2中取出tradeid字段的值;
  • 第3步,是根据tradeid值到trade_detail表中查找条件匹配的行。explain的结果里面第二行的key=NULL表示的就是,这个过程是通过遍历主键索引的方式,一个一个地判断tradeid的值是否匹配。

进行到这里,你会发现第3步不符合我们的预期。因为表trade_detail里tradeid字段上是有索引的,我们本来是希望通过使用tradeid索引能够快速定位到等值的行。但,这里并没有。

如果你去问DBA同学,他们可能会告诉你,因为这两个表的字符集不同,一个是utf8,一个是utf8mb4,所以做表连接查询的时候用不上关联字段的索引。这个回答,也是通常你搜索这个问题时会得到的答案。

但是你应该再追问一下,为什么字符集不同就用不上索引呢?

我们说问题是出在执行步骤的第3步,如果单独把这一步改成SQL语句的话,那就是:

mysql> select * from trade_detail where tradeid=$L2.tradeid.value; 

 

其中,$L2.tradeid.value的字符集是utf8mb4。

参照前面的两个例子,你肯定就想到了,字符集utf8mb4是utf8的超集,所以当这两个类型的字符串在做比较的时候,MySQL内部的操作是,先把utf8字符串转成utf8mb4字符集,再做比较。

这个设定很好理解,utf8mb4是utf8的超集。类似地,在程序设计语言里面,做自动类型转换的时候,为了避免数据在转换过程中由于截断导致数据错误,也都是“按数据长度增加的方向”进行转换的。

因此, 在执行上面这个语句的时候,需要将被驱动数据表里的字段一个个地转换成utf8mb4,再跟L2做比较。

也就是说,实际上这个语句等同于下面这个写法:

select * from trade_detail  where CONVERT(traideid USING utf8mb4)=$L2.tradeid.value; 

 

CONVERT()函数,在这里的意思是把输入的字符串转成utf8mb4字符集。

这就再次触发了我们上面说到的原则:对索引字段做函数操作,优化器会放弃走树搜索功能。

到这里,你终于明确了,字符集不同只是条件之一,连接过程中要求在被驱动表的索引字段上加函数操作,是直接导致对被驱动表做全表扫描的原因。

作为对比验证,我给你提另外一个需求,“查找trade_detail表里id=4的操作,对应的操作者是谁”,再来看下这个语句和它的执行计划。

mysql>select l.operator from tradelog l , trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and d.id=4;

 

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图6 explain 结果

这个语句里trade_detail 表成了驱动表,但是explain结果的第二行显示,这次的查询操作用上了被驱动表tradelog里的索引(tradeid),扫描行数是1。

这也是两个tradeid字段的join操作,为什么这次能用上被驱动表的tradeid索引呢?我们来分析一下。

假设驱动表trade_detail里id=4的行记为R4,那么在连接的时候(图5的第3步),被驱动表tradelog上执行的就是类似这样的SQL 语句:

select operator from tradelog  where traideid =$R4.tradeid.value; 

 

这时候$R4.tradeid.value的字符集是utf8, 按照字符集转换规则,要转成utf8mb4,所以这个过程就被改写成:

select operator from tradelog  where traideid =CONVERT($R4.tradeid.value USING utf8mb4); 

 

你看,这里的CONVERT函数是加在输入参数上的,这样就可以用上被驱动表的traideid索引。

理解了原理以后,就可以用来指导操作了。如果要优化语句

select d.* from tradelog l, trade_detail d where d.tradeid=l.tradeid and l.id=2;

 

的执行过程,有两种做法:

  • 比较常见的优化方法是,把trade_detail表上的tradeid字段的字符集也改成utf8mb4,这样就没有字符集转换的问题了。
    alter table trade_detail modify tradeid varchar(32) CHARACTER SET utf8mb4 default null;

     

  • 如果能够修改字段的字符集的话,是最好不过了。但如果数据量比较大, 或者业务上暂时不能做这个DDL的话,那就只能采用修改SQL语句的方法了。
    mysql> select d.* from tradelog l , trade_detail d where d.tradeid=CONVERT(l.tradeid USING utf8) and l.id=2; 

     

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图7 SQL语句优化后的explain结果

这里,我主动把 l.tradeid转成utf8,就避免了被驱动表上的字符编码转换,从explain结果可以看到,这次索引走对了。

小结

今天我给你举了三个例子,其实是在说同一件事儿,即:对索引字段做函数操作,可能会破坏索引值的有序性,因此优化器就决定放弃走树搜索功能。

第二个例子是隐式类型转换,第三个例子是隐式字符编码转换,它们都跟第一个例子一样,因为要求在索引字段上做函数操作而导致了全索引扫描。

MySQL的优化器确实有“偷懒”的嫌疑,即使简单地把where id+1=1000改写成where id=1000-1就能够用上索引快速查找,也不会主动做这个语句重写。

因此,每次你的业务代码升级时,把可能出现的、新的SQL语句explain一下,是一个很好的习惯。

最后,又到了思考题时间。

今天我留给你的课后问题是,你遇到过别的、类似今天我们提到的性能问题吗?你认为原因是什么,又是怎么解决的呢?

在上一篇文章最后,我留给你的问题是,希望你可以分享一下之前碰到过的、与文章中类似的场景。

@封建的风 提到一个有趣的场景,值得一说。我把他的问题重写一下,表结构如下:

mysql> CREATE TABLE `table_a` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `b` varchar(10) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `b` (`b`)
) ENGINE=InnoDB;

 

假设现在表里面,有100万行数据,其中有10万行数据的b的值是’1234567890’, 假设现在执行语句是这么写的:

mysql> select * from table_a where b=1234567890abcd;

 

这时候,MySQL会怎么执行呢?

最理想的情况是,MySQL看到字段b定义的是varchar(10),那肯定返回空呀。可惜,MySQL并没有这么做。

那要不,就是把’1234567890abcd’拿到索引里面去做匹配,肯定也没能够快速判断出索引树b上并没有这个值,也很快就能返回空结果。

但实际上,MySQL也不是这么做的。

这条SQL语句的执行很慢,流程是这样的:

  1. 在传给引擎执行的时候,做了字符截断。因为引擎里面这个行只定义了长度是10,所以只截了前10个字节,就是’1234567890’进去做匹配;

  2. 这样满足条件的数据有10万行;

  3. 因为是select *, 所以要做10万次回表;

  4. 但是每次回表以后查出整行,到server层一判断,b的值都不是’1234567890abcd’;

  5. 返回结果是空。

这个例子,是我们文章内容的一个很好的补充。虽然执行过程中可能经过函数操作,但是最终在拿到结果后,server层还是要做一轮判断的

19讲为什么我只查一行的语句,也执行这么慢

 

一般情况下,如果我跟你说查询性能优化,你首先会想到一些复杂的语句,想到查询需要返回大量的数据。但有些情况下,“查一行”,也会执行得特别慢。今天,我就跟你聊聊这个有趣的话题,看看什么情况下,会出现这个现象。

需要说明的是,如果MySQL数据库本身就有很大的压力,导致数据库服务器CPU占用率很高或ioutil(IO利用率)很高,这种情况下所有语句的执行都有可能变慢,不属于我们今天的讨论范围。

为了便于描述,我还是构造一个表,基于这个表来说明今天的问题。这个表有两个字段id和c,并且我在里面插入了10万行记录。

mysql> CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) NOT NULL,
  `c` int(11) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

delimiter ;;
create procedure idata()
begin
  declare i int;
  set i=1;
  while(i<=100000)do
    insert into t values(i,i);
    set i=i+1;
  end while;
end;;
delimiter ;

call idata();

 

接下来,我会用几个不同的场景来举例,有些是前面的文章中我们已经介绍过的知识点,你看看能不能一眼看穿,来检验一下吧。

第一类:查询长时间不返回

如图1所示,在表t执行下面的SQL语句:

mysql> select * from t where id=1;

 

查询结果长时间不返回。

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图1 查询长时间不返回

一般碰到这种情况的话,大概率是表t被锁住了。接下来分析原因的时候,一般都是首先执行一下show processlist命令,看看当前语句处于什么状态。

然后我们再针对每种状态,去分析它们产生的原因、如何复现,以及如何处理。

等MDL锁

如图2所示,就是使用show processlist命令查看Waiting for table metadata lock的示意图。

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图2 Waiting for table metadata lock状态示意图

出现这个状态表示的是,现在有一个线程正在表t上请求或者持有MDL写锁,把select语句堵住了。

在第6篇文章《全局锁和表锁 :给表加个字段怎么有这么多阻碍?》中,我给你介绍过一种复现方法。但需要说明的是,那个复现过程是基于MySQL 5.6版本的。而MySQL 5.7版本修改了MDL的加锁策略,所以就不能复现这个场景了。

不过,在MySQL 5.7版本下复现这个场景,也很容易。如图3所示,我给出了简单的复现步骤。
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图3 MySQL 5.7中Waiting for table metadata lock的复现步骤

session A 通过lock table命令持有表t的MDL写锁,而session B的查询需要获取MDL读锁。所以,session B进入等待状态。

这类问题的处理方式,就是找到谁持有MDL写锁,然后把它kill掉。

但是,由于在show processlist的结果里面,session A的Command列是“Sleep”,导致查找起来很不方便。不过有了performance_schema和sys系统库以后,就方便多了。(MySQL启动时需要设置performance_schema=on,相比于设置为off会有10%左右的性能损失)

通过查询sys.schema_table_lock_waits这张表,我们就可以直接找出造成阻塞的process id,把这个连接用kill 命令断开即可。

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图4 查获加表锁的线程id

等flush

接下来,我给你举另外一种查询被堵住的情况。

我在表t上,执行下面的SQL语句:

mysql> select * from information_schema.processlist where id=1;

 

这里,我先卖个关子。

你可以看一下图5。我查出来这个线程的状态是Waiting for table flush,你可以设想一下这是什么原因。
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图5 Waiting for table flush状态示意图

这个状态表示的是,现在有一个线程正要对表t做flush操作。MySQL里面对表做flush操作的用法,一般有以下两个:

flush tables t with read lock;

flush tables with read lock;

 

这两个flush语句,如果指定表t的话,代表的是只关闭表t;如果没有指定具体的表名,则表示关闭MySQL里所有打开的表。

但是正常这两个语句执行起来都很快,除非它们也被别的线程堵住了。

所以,出现Waiting for table flush状态的可能情况是:有一个flush tables命令被别的语句堵住了,然后它又堵住了我们的select语句。

现在,我们一起来复现一下这种情况,复现步骤如图6所示:

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图6 Waiting for table flush的复现步骤

在session A中,我故意每行都调用一次sleep(1),这样这个语句默认要执行10万秒,在这期间表t一直是被session A“打开”着。然后,session B的flush tables t命令再要去关闭表t,就需要等session A的查询结束。这样,session C要再次查询的话,就会被flush 命令堵住了。

图7是这个复现步骤的show processlist结果。这个例子的排查也很简单,你看到这个show processlist的结果,肯定就知道应该怎么做了。

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图 7 Waiting for table flush的show processlist 结果

等行锁

现在,经过了表级锁的考验,我们的select 语句终于来到引擎里了。

mysql> select * from t where id=1 lock in share mode; 

 

上面这条语句的用法你也很熟悉了,我们在第8篇《事务到底是隔离的还是不隔离的?》文章介绍当前读时提到过。

由于访问id=1这个记录时要加读锁,如果这时候已经有一个事务在这行记录上持有一个写锁,我们的select语句就会被堵住。

复现步骤和现场如下:

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图 8 行锁复现

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图 9 行锁show processlist 现场

显然,session A启动了事务,占有写锁,还不提交,是导致session B被堵住的原因。

这个问题并不难分析,但问题是怎么查出是谁占着这个写锁。如果你用的是MySQL 5.7版本,可以通过sys.innodb_lock_waits 表查到。

查询方法是:

mysql> select * from t sys.innodb_lock_waits where locked_table=`test.t`\G

 

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图10 通过sys.innodb_lock_waits 查行锁

可以看到,这个信息很全,4号线程是造成堵塞的罪魁祸首。而干掉这个罪魁祸首的方式,就是KILL QUERY 4或KILL 4。

不过,这里不应该显示“KILL QUERY 4”。这个命令表示停止4号线程当前正在执行的语句,而这个方法其实是没有用的。因为占有行锁的是update语句,这个语句已经是之前执行完成了的,现在执行KILL QUERY,无法让这个事务去掉id=1上的行锁。

实际上,KILL 4才有效,也就是说直接断开这个连接。这里隐含的一个逻辑就是,连接被断开的时候,会自动回滚这个连接里面正在执行的线程,也就释放了id=1上的行锁。

第二类:查询慢

经过了重重封“锁”,我们再来看看一些查询慢的例子。

先来看一条你一定知道原因的SQL语句:

mysql> select * from t where c=50000 limit 1;

 

由于字段c上没有索引,这个语句只能走id主键顺序扫描,因此需要扫描5万行。

作为确认,你可以看一下慢查询日志。注意,这里为了把所有语句记录到slow log里,我在连接后先执行了 set long_query_time=0,将慢查询日志的时间阈值设置为0。

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图11 全表扫描5万行的slow log

Rows_examined显示扫描了50000行。你可能会说,不是很慢呀,11.5毫秒就返回了,我们线上一般都配置超过1秒才算慢查询。但你要记住:坏查询不一定是慢查询。我们这个例子里面只有10万行记录,数据量大起来的话,执行时间就线性涨上去了。

扫描行数多,所以执行慢,这个很好理解。

但是接下来,我们再看一个只扫描一行,但是执行很慢的语句。

如图12所示,是这个例子的slow log。可以看到,执行的语句是

mysql> select * from t where id=1

 

虽然扫描行数是1,但执行时间却长达800毫秒。

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图12 扫描一行却执行得很慢

是不是有点奇怪呢,这些时间都花在哪里了?

如果我把这个slow log的截图再往下拉一点,你可以看到下一个语句,select * from t where id=1 lock in share mode,执行时扫描行数也是1行,执行时间是0.2毫秒。

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图 13 加上lock in share mode的slow log

看上去是不是更奇怪了?按理说lock in share mode还要加锁,时间应该更长才对啊。

可能有的同学已经有答案了。如果你还没有答案的话,我再给你一个提示信息,图14是这两个语句的执行输出结果。

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图14 两个语句的输出结果

第一个语句的查询结果里c=1,带lock in share mode的语句返回的是c=1000001。看到这里应该有更多的同学知道原因了。如果你还是没有头绪的话,也别着急。我先跟你说明一下复现步骤,再分析原因。

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图15 复现步骤

你看到了,session A先用start transaction with consistent snapshot命令启动了一个事务,之后session B才开始执行update 语句。

session B执行完100万次update语句后,id=1这一行处于什么状态呢?你可以从图16中找到答案。

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图16 id=1的数据状态

session B更新完100万次,生成了100万个回滚日志(undo log)。

带lock in share mode的SQL语句,是当前读,因此会直接读到1000001这个结果所以速度很快;而select * from t where id=1这个语句,是一致性读(ps:都是一致性读的问题),因此需要从1000001开始,依次执行undo log,执行了100万次以后,才将1这个结果返回。

注意,undo log里记录的其实是“把2改成1”,“把3改成2”这样的操作逻辑,画成减1的目的是方便你看图。

小结

今天我给你举了在一个简单的表上,执行“查一行”,可能会出现的被锁住和执行慢的例子。这其中涉及到了表锁、行锁和一致性读的概念。

在实际使用中,碰到的场景会更复杂。但大同小异,你可以按照我在文章中介绍的定位方法,来定位并解决问题。

最后,我给你留一个问题吧。

我们在举例加锁读的时候,用的是这个语句,select * from t where id=1 lock in share mode。由于id上有索引,所以可以直接定位到id=1这一行,因此读锁也是只加在了这一行上。

但如果是下面的SQL语句,

begin;
select * from t where c=5 for update;
commit;

 


这个语句序列是怎么加锁的呢?加的锁又是什么时候释放呢?

 

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