故障分析 | 从 Insert 并发死锁分析 Insert 加锁源码逻辑

2023年 10月 13日 58.2k 0

作者:李锡超

一个爱笑的江苏苏宁银行 数据库工程师,主要负责数据库日常运维、自动化建设、DMP平台运维。擅长MySQL、Python、Oracle,爱好骑行、研究技术。

本文来源:原创投稿

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一、前言

死锁,作为数据库一个常见的并发问题。此类问题:

  1. 触发原因往往与应用的逻辑相关,参与的事务可能是两个、三个、甚至更多;

  2. 由于不同数据库的锁实现机制几乎完全不同、实现逻辑复杂,还存在多种锁类型;

  3. 数据库发生死锁后,会立即终止部分事务,事后无法看到死锁前的等待状态。

即,死锁问题具有业务关联、机制复杂、类型多样等特点,导致当数据库发生死锁问题时,不是那么容易分析。

基于解决死锁问题存在的难点,本文以 MySQL 数据库一则并发 Insert 导致的死锁为例,从发现问题、重现问题、根因分析、解决问题4个步骤,期望能提供一套关于死锁的科学有效方案,供读者朋友参考。

二、问题现象

某系统在进行上线前压测时,发现应用日志存在如下日志提示触发死锁问题:

Deadlock found when trying to get lock; try restarting transaction

好在压测时,就发现了问题,避免上线后影响生产。

随后,执行 show engine innodb status,有如下内容(脱敏后):

------------------------
LATEST DETECTED DEADLOCK
------------------------
2023-03-24 19:07:50 140736694093568
*** (1) TRANSACTION:
TRANSACTION 56118, ACTIVE 6 sec inserting
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT 2 lock struct(s), heap size 1192, 1 row lock(s), undo log entries 1
MySQL thread id 9, OS thread handle 140736685700864, query id 57 localhost root update
insert into dl_tab(id,name) values(30,10)

*** (1) HOLDS THE LOCK(S):
RECORD LOCKS space id 11 page no 5 n bits 72 index ua of table `testdb`.`dl_tab` trx id 56118 lock mode S waiting
Record lock, heap no 6 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
0: len 4; hex 8000000a; asc ;; # 十进制: 10
1: len 4; hex 8000001a; asc ;; # 十进制: 26


*** (1) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 11 page no 5 n bits 72 index ua of table `testdb`.`dl_tab` trx id 56118 lock mode S waiting
Record lock, heap no 6 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
0: len 4; hex 8000000a; asc ;; # 十进制: 10
1: len 4; hex 8000001a; asc ;; # 十进制: 26


*** (2) TRANSACTION:
TRANSACTION 56113, ACTIVE 12 sec inserting
mysql tables in use 1, locked 1
LOCK WAIT 3 lock struct(s), heap size 1192, 2 row lock(s), undo log entries 2
MySQL thread id 8, OS thread handle 140736952903424, query id 58 localhost root update
insert into dl_tab(id,name) values(40,8)

*** (2) HOLDS THE LOCK(S):
RECORD LOCKS space id 11 page no 5 n bits 72 index ua of table `testdb`.`dl_tab` trx id 56113 lock_mode X locks rec but not gap
Record lock, heap no 6 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
0: len 4; hex 8000000a; asc ;; # 十进制: 10
1: len 4; hex 8000001a; asc ;; # 十进制: 26


*** (2) WAITING FOR THIS LOCK TO BE GRANTED:
RECORD LOCKS space id 11 page no 5 n bits 72 index ua of table `testdb`.`dl_tab` trx id 56113 lock_mode X locks gap before rec insert intention waiting
Record lock, heap no 6 PHYSICAL RECORD: n_fields 2; compact format; info bits 0
0: len 4; hex 8000000a; asc ;; # 十进制: 10
1: len 4; hex 8000001a; asc ;; # 十进制: 26

*** WE ROLL BACK TRANSACTION (1)
------------

1、死锁信息梳理

根据以上信息,发现是 dl_tab 执行insert操作导致死锁。初步梳理如下。

版本: 8.0.27

隔离级别: Read-Commited

表结构:

*************************** 1. row ***************************
Table: dl_tab
Create Table: CREATE TABLE `dl_tab` (
`id` int NOT NULL AUTO_INCREMENT,
`name` int NOT NULL,
PRIMARY KEY (`id`),
UNIQUE KEY `ua` (`name`)
) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=41 DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_0900_ai_ci

注意,以上 innodb status 输出,不同的数据库版本会有差异。主要有:

  1. 在 MySQL 8.0.18 及之后,输出结果包括两个事务各自持有的锁、等待的锁,对分析死锁问题很有帮助。在 8.0.18 之前,只包括事务1等待的锁,事务2持有的锁、等待的锁,而不包括事务1持有的锁信息;

  2. 以上示例还包括具体的索引记录值(如{10,26}:第一字段为索引记录的值,第二个字段为对应的主键记录)。如果没有索引记录值,可能只有heap no,该编号作为内部实现锁机制非常关键,但无法和具体的索引记录对应起来。此外,找了其它几个MySQL版本发现原生版本 ≥5.7.21 、≥8.0 有这个功能,Percona mysql 5.7.21 居然没有这个功能;

  3. 事务T1 等待的锁从输出结果看到的是 LOCK S , 但其实获取的锁是 lock s next key lock ,  这点从后面的源码分析结果中会进一步说明。

innodb status 日志梳理:

事务 事务T1 事务T2
操作 insert into dl_tab(id,name) values(40,8) insert into dl_tab(id,name) values(30,10)
关联的对象 testdb.dl_tab 的唯一索引 ua testdb.dl_tab 的唯一索引 ua
持有的锁 lock_mode X locks rec but not gap
heap no 6
10,26
lock mode S waiting
heap no 6
10(16进制为a) , 26(16进制为1a)
等待的锁 lock_mode X locks gap before rec insert intention waiting
heap no 6
10,26
lock mode S waiting
heap no 6
10,26

从以上 innodb status 输出。可以看到死锁发生在唯一索引 ua 上。这的确也是在RC隔离级别配置下,比较常见的死锁场景。进一步梳理死锁过程:

  1. 首先事务T1获取到了ua中记录10的 lock x,rec not not gap

  2. 事务T2尝试获取ua中记录10的lock s, next key lock,由于T1持有了记录的独占锁,因此被T1堵塞

  3. 事务T1尝试获取ua中记录10的lock x, gap before rec,insert intention,但被堵塞

2、提出问题

除了以上现象外,无法从输出结果得到更多的信息,比如:

Q1: T1为什么会持有 ua中记录10 的锁?

Q2: T1既然持有了锁,为什么又会等待锁?

Q3: T2持有和等待相同的锁,到底是持有还是在等待?

Q4: 死锁到底是如何产生的?

为此,与研发同学沟通,了解死锁发生的业务场景,并对问题进行了再次复现。

三、重现问题

研发同学发现是在某业务的定时任务进行并发处理时触发,并很快在对应的开发环境复现了问题。问题复现后,同样在应用日志和innodb status输出看到对应日志,确认是同一问题。

建议读者朋友思考1分钟,如何进一步分析

1、尝试解决

本着解决问题优先的原则,在唯一索引ua并发时产生的,那是否可以将唯一索引改为普通索引?如果不可以,是否可以降低并发(或者直接改为单并发)?不过很快研发同学就进行了确认,uname 的唯一索引是核心框架依赖的,改不了!该功能的实时性要求很高,上线后业务量比较大,不能降低或调小并发。既然无法避免,那只能进一步分析死锁发生的原因,并据此确认解决方案!

研发在复现问题后,除了能看到应用日志和 innodb status 输出,还是没有更多的信息。此外,研发是参考测试环境,造了一批数据,然后进行模拟复现的。即: 虽然能复现这个死锁,但无法回答最初提出的问题(Q1,Q2,Q3,Q4)。

2、跟踪死锁发生过程

随后找到 Percona 提供一篇文章(链接: How to deal with MySQL deadlocks),大致对死锁的问题的分析提供了思路:以应用日志和innodb status提供的数据为基础,结合events_statements_history、binlog(最好是statement格式)、 慢查询日志(slow log)、一般日志(general log)进行分析。

根据文章利用已有的功能(events_statements_history/slow log/general log),去找到数据库连接运行过那些SQL语句。随后,总结了如下脚本:

-- 将events_statements_history 中的启动时间转换为标准时间
create database IF NOT EXISTS perf_db;
use perf_db;
DELIMITER //
create function f_convert_timer_to_utc(pi_timer bigint) returns timestamp(6)
DETERMINISTIC
begin
declare value_utc_time timestamp(6);
select FROM_UNIXTIME( (unix_timestamp(sysdate()) - variable_value) + pi_timer/1000000000000 ) from performance_schema.global_status where variable_name = 'Uptime' into value_utc_time;
return value_utc_time;
end;
//
DELIMITER ;

--innodb status 输出中,死锁信息中MySQL thread id,实际表示是PROCESSLIST ID。执行语句找到thread_id 与PROCESSLIST_ID的对应关系
select PROCESSLIST_ID,THREAD_ID,PROCESSLIST_INFO from performance_schema.threads where PROCESSLIST_ID in (8,10);

-- 找到上一步找到的线程ID找到运行过的SQL语句
select THREAD_ID,
perf_db.f_convert_timer_to_utc(TIMER_START) run_start_time,
perf_db.f_convert_timer_to_utc(TIMER_END) run_end_time,
TIMER_WAIT/1000000000000 wait_time_s,
'False' is_current,
CURRENT_SCHEMA,
SQL_TEXT
from performance_schema.events_statements_history where thread_id=51
union
select THREAD_ID,
perf_db.f_convert_timer_to_utc(TIMER_START) run_start_time,
perf_db.f_convert_timer_to_utc(TIMER_END) run_end_time,
TIMER_WAIT/1000000000000 wait_time_s,
'True' is_current,
CURRENT_SCHEMA,
SQL_TEXT
from performance_schema.events_statements_current where thread_id=51
and (THREAD_ID,EVENT_ID,END_EVENT_ID) not in (select THREAD_ID,EVENT_ID,END_EVENT_ID from performance_schema.events_statements_history )
order by run_start_time;

注:以上脚本中红色文字,需要根据实际情况替换。

整理脚本后,研发同学再次尝试进行了复现死锁。查询得到如下结果:

select PROCESSLIST_ID,THREAD_ID,PROCESSLIST_INFO from performance_schema.threads where PROCESSLIST_ID in (8,10);

+----------------+-----------+------------------+
| PROCESSLIST_ID | THREAD_ID | PROCESSLIST_INFO |
+----------------+-----------+------------------+
| 8 | 49 | NULL |
| 10 | 51 | NULL |
+----------------+-----------+------------------+

thread_id=49的sql运行情况:
| 49 | 2023-03-25 02:15:59.173352 | 2023-03-25 02:15:59.173612 | 0.0003 | False | testdb | begin |
| 49 | 2023-03-25 02:16:08.349311 | 2023-03-25 02:16:08.350678 | 0.0014 | False | testdb | insert into dl_tab(id,name) values(26,10) |
| 49 | 2023-03-25 02:16:26.824176 | 2023-03-25 02:16:26.826121 | 0.0019 | False | testdb | insert into dl_tab(id,name) values(40,8) |
+-----------+----------------------------+----------------------------+-------------+------------+----------------+-------------------------------------------+

thread_id=51 的sql运行情况:
| 51 | 2023-03-25 02:15:58.040749 | 2023-03-25 02:15:58.041057 | 0.0003 | False | testdb | begin |
| 51 | 2023-03-25 02:16:17.408110 | 2023-03-25 02:16:26.828374 | 9.4203 | False | testdb | insert into dl_tab(id,name) values(30,10) |

梳理结果如下:

事务T1--thread 49 事务T2--thread 51
begin; begin;
insert into dl_tab(id,name) values(26,10);
insert into dl_tab(id,name) values(30,10);
insert into dl_tab(id,name) values(40,8);

根据上述梳理结果,通过人工方式在开发环境执行上述 SQL 语句,再次发生死锁,且 innodb status 的死锁信息与测试环境基本相同。

至此,回答了最开始提出的问题Q1:

Q1: T1为什么会持有 ua中记录10 的锁?

答:因为该事务前面执行了语句如下语句,所以持有了记录(26,10)的锁:insert into dl_tab(id,name) values(26,10);

3、关于跟踪死锁额外的思考

从这个死锁的发生过程,刚好是innodb status死锁信息输出结果中的两个会话导致了死锁。但参与死锁的可能涉及3个、4个或者更多的事务,因此还有如下几个额外的问题:

Q5: 如果是3个或更多的事务参与死锁,如何跟踪?

Q6: 执行的SQL语句应该是导致死锁最直接的原因,其本质锁的是记录、锁类型及堵塞关系,如何查看?

Q7: 死锁发生后,由于MySQL死锁检测机制会自动发现死锁,并会挑选事务进行回退。事务被回退了之后,就破坏了死锁的第一现场。除了innodb status提供的最近一次死锁信息外(特别是8.0.18之前不包括事务1持有的锁信息),再无其它可用的分析数据。

综合以上3个问题,总结了如下补充方案,以采集相关的性能数据:

  • 针对Q7:在测试环境临时关闭死锁检测,然后再次复现:

innodb_deadlock_detect = off
innodb_lock_wait_timeout = 10
innodb_rollback_on_timeout = on
  • 针对Q5,Q6:结合MySQL已有的实时锁与锁等待性能数据,总结了如下脚本:

-- 创建工作目录
cd <path-to-dir>
mkdir deadlock_data
cd deadlock_data

-- 创建死锁数据保存表
mysql -uroot -S /tmp/mysql.sock
create database IF NOT EXISTS perf_db;
use perf_db
CREATE TABLE `tab_deadlock_info` (
`id` int primary key auto_incrment,
`curr_dt` datetime(6) NOT NULL,
`thread_id` bigint unsigned DEFAULT NULL,
`conn_id` bigint unsigned DEFAULT NULL,
`trx_id` bigint unsigned DEFAULT NULL,
`object_name` varchar(64) DEFAULT NULL,
`INDEX_NAME` varchar(64) DEFAULT NULL,
`lock_type` varchar(32) NOT NULL,
`lock_mode` varchar(32) NOT NULL,
`lock_status` varchar(32) NOT NULL,
`LOCK_DATA` varchar(8192) CHARACTER SET utf8mb4 DEFAULT NULL,
`blk_trx_id` bigint unsigned DEFAULT NULL,
`blk_thd_id` bigint unsigned DEFAULT NULL,
index idx_curr_dt(curr_dt)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

-- 查看当前存在的锁及锁堵塞信息
-- data_locks/data_lock_waits 自MySQL 8.0.1提供,之前版本查询information_schema.innodb_locks/ information_schema.innodb_lock_waits获取类似信息
vi save_lock_data.sql
insert into tab_deadlock_info(curr_dt,thread_id,conn_id,trx_id,object_name,index_name,
lock_type,lock_mode,lock_status,lock_data,blk_trx_id,blk_thd_id)
select NOW(6) curr_dt,a.thread_id,b.PROCESSLIST_ID conn_id,
ENGINE_TRANSACTION_ID trx_id, object_name,
INDEX_NAME,lock_type,lock_mode,lock_status,LOCK_DATA,
c.BLOCKING_ENGINE_TRANSACTION_ID blk_trx_id,
c.BLOCKING_THREAD_ID blk_thd_id
from performance_schema.data_locks a left join performance_schema.threads b
on a.thread_id=b.thread_id
left join performance_schema.data_lock_waits c
on a.ENGINE_TRANSACTION_ID=c.REQUESTING_ENGINE_TRANSACTION_ID and a.thread_id=c.REQUESTING_THREAD_ID
where a.thread_id=b.thread_id order by thread_id,trx_id;

-- 查询脚本
mysql -uroot -S /tmp/mysql.sock perf_db -e "source save_lock_data.sql"

-- 定时查询脚本
vi run_save_lock.sh
while true
do
sleep 0.1 # 指定查询间隔时间,结合实际需求调整
mysql -uroot -S /tmp/mysql.sock perf_db -e "source save_lock_data.sql" 2>>run_save_lock.err
done

-- 执行查询
sh run_save_lock.sh

说明:

  1. 配置上述 innodb_deadlock_detect 参数关闭死锁检测,innodb status 将不在会继续输出最后 LATEST DETECTED DEADLOCK 信息;

  2. 应用日志看到的告警为锁超时告警:Lock wait timeout exceeded; try restarting transaction 。可以据此找到锁超时发生时间。

再次复现后使用使用 tab_deadlock_info 查询锁数据如下:

同时,使用步骤 2 查询的语句信息如下:

综合上述查询结果,梳理得到如下结果:

时间 事务T1 事务T2
2023-03-27 14:53:49 begin;
2023-03-27 14:53:50 begin;
2023-03-27 14:53:54 insert into dl_tab(id,name) values(26,10);
2023-03-27 14:53:59 持有: ua记录(10,26)的 Lock X, Rec_not_gap insert into dl_tab(id,name) values(30,10);
等待:ua记录(10,26)的 Lock S
2023-03-27 14:54:04 insert into dl_tab(id,name) values(40,8);
持有:ua记录(10,26)的Lock X, Rec_not_gap
等待:ua记录(10,26)的Lock X, gap, insert_intention

再次梳理出了死锁的发生过程。

四、根因分析

通过上述过程,可以看到死锁发生的过程,获取的锁及其属性信息。但要分析出为什么会发生死锁,还需要结合 MySQL 的锁实现机制。由于以上死锁场景,涉及唯一索引的插入实现逻辑,将结合源码进行解读。

1、单列唯一索引插入逻辑

下图中:

蓝色线
表示T1第一次插入执行的逻辑;

紫色线
表示T2第一次插入执行的逻辑;

黑色线表示T1第二次插入执行的逻辑;

与唯一索引插入记录相关锁操作,使用了
红色短箭头
标记;

竖线与红色短尖头交叉表示执行了函数,否则表示未执行。

故障分析 |  从 Insert 并发死锁分析 Insert 加锁源码逻辑-1

2、最终死锁过程

以时间维度,结合以上的 MySQL 加锁逻辑进行分析:

  1. T1、T2开启了一个事务,随后T1执行了插入(26,10)的 insert 语句

  2. T2执行了插入(30,10)的insert语句。进行唯一性冲突检查,尝试获取LOCK_S | LOCK_ORDINARY[line 15]。那为什么看到时LOCK S,是因为LOCK_ORDINARY对应的数字表示为0,任何与之进行“与”运算都等于本身,所以看不出来:

  3. 然后T2所在的连接会将T1中的隐式锁转换为显示锁[line 17],此时T1将获取LOCK_REC | LOCK_X | LOCK_REC_NOT_GAP,即看到的Lock X, Rec_not_gap。由于是T2所在的线程为T1创建的锁,因此该锁对应的thread_id为T2的线程ID,但trx_id为T1的事务ID

  4. 但由于 T1的LOCK X|LOCK_REC_NOT_GAP与T2的LOCK S| LOCK_ORDINARY不兼容[line 23],因此T2被堵塞

  5. 当T2被堵塞时,内部函数add_to_waitq 在处理时,同样会记录创建一个锁,并设置属性 LOCK_S | LOCK_ORDINARY | LOCK_WAIT | LOCK_REC,以指示锁等待[line 24]。随后T2返回上层函数,以等待锁资源[line 38]

  6. 随后,T1又执行了(40,8)的insert语句。由于其插入的唯一索引值是8(注意不是10),因此不存在主键冲突,直接执行乐观插入操作[line 43]

  7. 执行乐观插入时,需要检查其它事务是否堵塞insert操作。其核心是获取待插入记录的下一个值[line 46-47](这里刚好是10),并获取该记录上的所有锁,与需要添加的锁(LOCK_X | LOCK_GAP | LOCK_INSERT_INTENTION)判断是否存在冲突[line 51]

  8. 第E步T2持有了记录10的LOCK_S | LOCK_ORDINARY | LOCK_WAIT | LOC

    K_REC 锁与T1的LOCK_X | LOCK_GAP | LOCK_INSERT_INTENTION不兼容,因此T1被T2堵塞[line 51]

  9. 死锁形成

如需了解更多实现细节,大家可以结合源码进一步确认。

至此,回答了最开始提出的问题Q2,Q3,Q4:

Q2: T1既然持有了锁,为什么又会等待锁?

答:持有锁应该没有疑问,在分析类似问题注意隐式锁转换为显示锁的机制(lock_rec_convert_impl_to_expl)。等待锁主要由于T2被堵塞后,会创建锁(LOCK_S | LOCK_ORDINARY | LOCK_WAIT | LOCK_REC)。然后T1在执行乐观插入时,需要遍历记录上存在的所有>锁进行锁冲突判断,由于锁模式不兼容,因此被堵塞

Q3: T2持有和等待相同的锁,到底是持有还是在等待?

答:虽然从innodb status看到T2持有和等待都是lock s, next key lock。但实际上等待lock s, next key lock;由于锁冲突,加入等待队列时会持有锁LOCK_S | LOCK_ORDINARY | LOCK_WAIT | LOCK_REC

Q4: 以及终极问题:死锁到底是如何产生的?

答:见以上分析死锁过程分析

五、解决问题

综合以上死锁发生的发生过程和原因,总结原因如下:

原因1:主要研发过度依赖唯一索引,插入的数据不符合唯一索引要求,需要进行唯一性冲突检查。

原因2:批量插入的数据不是有序的。两种情况同时存在,导致死锁发生。

原因2在并发场景下,控制起来较为复杂。原因1该场景为并发批量插入逻辑,可以在执行插入时,避免插入重复的 uname 。随后,研发同学进行逻辑优化后,问题不再发生。

对于死锁问题,建议结合业务情况尽量选择 Read Committed 隔离级别,适当的减少 Unique 索引。如确实发生死锁,读者朋友可以参考本次故障案例,合理利用性能数据来跟踪死锁问题,结合源码或者已有的案例分析死锁根本和解决方案。

以上信息仅左右交流,作者水平有限,如有不足之处,欢迎在评论区交流。

本文关键字:#insert死锁# #源码# #问题跟踪#

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