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39 自增主键为什么不是连续的?

在[第 4 篇文章]中,我们提到过自增主键,由于自增主键可以让主键索引尽量地保持递增顺序插入,避免了页分裂,因此索引更紧凑。

之前我见过有的业务设计依赖于自增主键的连续性,也就是说,这个设计假设自增主键是连续的。但实际上,这样的假设是错的,因为自增主键不能保证连续递增。

今天这篇文章,我们就来说说这个问题,看看什么情况下自增主键会出现 “空洞”?

为了便于说明,我们创建一个表 t,其中 id 是自增主键字段、c 是唯一索引。

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

自增值保存在哪儿?

在这个空表 t 里面执行 insert into t values(null, 1, 1); 插入一行数据,再执行 show create table 命令,就可以看到如下图所示的结果:

img

图 1 自动生成的 AUTO_INCREMENT 值

可以看到,表定义里面出现了一个 AUTO_INCREMENT=2,表示下一次插入数据时,如果需要自动生成自增值,会生成 id=2。

其实,这个输出结果容易引起这样的误解:自增值是保存在表结构定义里的。实际上,表的结构定义存放在后缀名为.frm 的文件中,但是并不会保存自增值。

不同的引擎对于自增值的保存策略不同。

  • MyISAM 引擎的自增值保存在数据文件中。
  • InnoDB 引擎的自增值,其实是保存在了内存里,并且到了 MySQL 8.0 版本后,才有了“自增值持久化”的能力,也就是才实现了“如果发生重启,表的自增值可以恢复为 MySQL 重启前的值”,具体情况是:
    • 在 MySQL 5.7 及之前的版本,自增值保存在内存里,并没有持久化。每次重启后,第一次打开表的时候,都会去找自增值的最大值 max(id),然后将 max(id)+1 作为这个表当前的自增值。 举例来说,如果一个表当前数据行里最大的 id 是 10,AUTO_INCREMENT=11。这时候,我们删除 id=10 的行,AUTO_INCREMENT 还是 11。但如果马上重启实例,重启后这个表的 AUTO_INCREMENT 就会变成 10。 也就是说,MySQL 重启可能会修改一个表的 AUTO_INCREMENT 的值。
    • 在 MySQL 8.0 版本,将自增值的变更记录在了 redo log 中,重启的时候依靠 redo log 恢复重启之前的值。

理解了 MySQL 对自增值的保存策略以后,我们再看看自增值修改机制。

自增值修改机制

在 MySQL 里面,如果字段 id 被定义为 AUTO_INCREMENT,在插入一行数据的时候,自增值的行为如下:

  1. 如果插入数据时 id 字段指定为 0、null 或未指定值,那么就把这个表当前的 AUTO_INCREMENT 值填到自增字段;
  2. 如果插入数据时 id 字段指定了具体的值,就直接使用语句里指定的值。

根据要插入的值和当前自增值的大小关系,自增值的变更结果也会有所不同。假设,某次要插入的值是 X,当前的自增值是 Y。

  1. 如果 X,那么这个表的自增值不变;
  2. 如果 X≥Y,就需要把当前自增值修改为新的自增值。

新的自增值生成算法是:从 auto_increment_offset 开始,以 auto_increment_increment 为步长,持续叠加,直到找到第一个大于 X 的值,作为新的自增值。

其中,auto_increment_offset 和 auto_increment_increment 是两个系统参数,分别用来表示自增的初始值和步长,默认值都是 1。

备注:在一些场景下,使用的就不全是默认值。比如,双 M 的主备结构里要求双写的时候,我们就可能会设置成 auto_increment_increment=2,让一个库的自增 id 都是奇数,另一个库的自增 id 都是偶数,避免两个库生成的主键发生冲突。

当 auto_increment_offset 和 auto_increment_increment 都是 1 的时候,新的自增值生成逻辑很简单,就是:

  1. 如果准备插入的值 >= 当前自增值,新的自增值就是“准备插入的值 +1”;
  2. 否则,自增值不变。

这就引入了我们文章开头提到的问题,在这两个参数都设置为 1 的时候,自增主键 id 却不能保证是连续的,这是什么原因呢?

自增值的修改时机

要回答这个问题,我们就要看一下自增值的修改时机。

假设,表 t 里面已经有了 (1,1,1) 这条记录,这时我再执行一条插入数据命令:

insert into t values(null, 1, 1); 

这个语句的执行流程就是:

  1. 执行器调用 InnoDB 引擎接口写入一行,传入的这一行的值是 (0,1,1);
  2. InnoDB 发现用户没有指定自增 id 的值,获取表 t 当前的自增值 2;
  3. 将传入的行的值改成 (2,1,1);
  4. 将表的自增值改成 3;
  5. 继续执行插入数据操作,由于已经存在 c=1 的记录,所以报 Duplicate key error,语句返回。

对应的执行流程图如下:

img

图 2 insert(null, 1,1) 唯一键冲突

可以看到,这个表的自增值改成 3,是在真正执行插入数据的操作之前。这个语句真正执行的时候,因为碰到唯一键 c 冲突,所以 id=2 这一行并没有插入成功,但也没有将自增值再改回去。

所以,在这之后,再插入新的数据行时,拿到的自增 id 就是 3。也就是说,出现了自增主键不连续的情况。

如图 3 所示就是完整的演示结果。

img

图 3 一个自增主键 id 不连续的复现步骤

可以看到,这个操作序列复现了一个自增主键 id 不连续的现场 (没有 id=2 的行)。可见,唯一键冲突是导致自增主键 id 不连续的第一种原因。

同样地,事务回滚也会产生类似的现象,这就是第二种原因。

下面这个语句序列就可以构造不连续的自增 id,你可以自己验证一下。

insert into t values(null,1,1);
begin;
insert into t values(null,2,2);
rollback;
insert into t values(null,2,2);
// 插入的行是 (3,2,2)

你可能会问,为什么在出现唯一键冲突或者回滚的时候,MySQL 没有把表 t 的自增值改回去呢?如果把表 t 的当前自增值从 3 改回 2,再插入新数据的时候,不就可以生成 id=2 的一行数据了吗?

其实,MySQL 这么设计是为了提升性能。接下来,我就跟你分析一下这个设计思路,看看自增值为什么不能回退。

假设有两个并行执行的事务,在申请自增值的时候,为了避免两个事务申请到相同的自增 id,肯定要加锁,然后顺序申请。

  1. 假设事务 A 申请到了 id=2, 事务 B 申请到 id=3,那么这时候表 t 的自增值是 4,之后继续执行。
  2. 事务 B 正确提交了,但事务 A 出现了唯一键冲突。
  3. 如果允许事务 A 把自增 id 回退,也就是把表 t 的当前自增值改回 2,那么就会出现这样的情况:表里面已经有 id=3 的行,而当前的自增 id 值是 2。
  4. 接下来,继续执行的其他事务就会申请到 id=2,然后再申请到 id=3。这时,就会出现插入语句报错“主键冲突”。

而为了解决这个主键冲突,有两种方法:

  1. 每次申请 id 之前,先判断表里面是否已经存在这个 id。如果存在,就跳过这个 id。但是,这个方法的成本很高。因为,本来申请 id 是一个很快的操作,现在还要再去主键索引树上判断 id 是否存在。
  2. 把自增 id 的锁范围扩大,必须等到一个事务执行完成并提交,下一个事务才能再申请自增 id。这个方法的问题,就是锁的粒度太大,系统并发能力大大下降。

可见,这两个方法都会导致性能问题。造成这些麻烦的罪魁祸首,就是我们假设的这个“允许自增 id 回退”的前提导致的。

因此,InnoDB 放弃了这个设计,语句执行失败也不回退自增 id。也正是因为这样,所以才只保证了自增 id 是递增的,但不保证是连续的。

自增锁的优化

可以看到,自增 id 锁并不是一个事务锁,而是每次申请完就马上释放,以便允许别的事务再申请。其实,在 MySQL 5.1 版本之前,并不是这样的。

接下来,我会先给你介绍下自增锁设计的历史,这样有助于你分析接下来的一个问题。

在 MySQL 5.0 版本的时候,自增锁的范围是语句级别。也就是说,如果一个语句申请了一个表自增锁,这个锁会等语句执行结束以后才释放。显然,这样设计会影响并发度。

MySQL 5.1.22 版本引入了一个新策略,新增参数 innodb_autoinc_lock_mode,默认值是 1。

  1. 这个参数的值被设置为 0 时,表示采用之前 MySQL 5.0 版本的策略,即语句执行结束后才释放锁;
  2. 这个参数的值被设置为 1 时:
    • 普通 insert 语句,自增锁在申请之后就马上释放;
    • 类似 insert … select 这样的批量插入数据的语句,自增锁还是要等语句结束后才被释放;
  3. 这个参数的值被设置为 2 时,所有的申请自增主键的动作都是申请后就释放锁。

你一定有两个疑问:为什么默认设置下,insert … select 要使用语句级的锁?为什么这个参数的默认值不是 2?

答案是,这么设计还是为了数据的一致性。

我们一起来看一下这个场景:

img

图 4 批量插入数据的自增锁

在这个例子里,我往表 t1 中插入了 4 行数据,然后创建了一个相同结构的表 t2,然后两个 session 同时执行向表 t2 中插入数据的操作。

你可以设想一下,如果 session B 是申请了自增值以后马上就释放自增锁,那么就可能出现这样的情况:

  • session B 先插入了两个记录,(1,1,1)、(2,2,2);
  • 然后,session A 来申请自增 id 得到 id=3,插入了(3,5,5);
  • 之后,session B 继续执行,插入两条记录 (4,3,3)、 (5,4,4)。

你可能会说,这也没关系吧,毕竟 session B 的语义本身就没有要求表 t2 的所有行的数据都跟 session A 相同。

是的,从数据逻辑上看是对的。但是,如果我们现在的 binlog_format=statement,你可以设想下,binlog 会怎么记录呢?

由于两个 session 是同时执行插入数据命令的,所以 binlog 里面对表 t2 的更新日志只有两种情况:要么先记 session A 的,要么先记 session B 的。

但不论是哪一种,这个 binlog 拿去从库执行,或者用来恢复临时实例,备库和临时实例里面,session B 这个语句执行出来,生成的结果里面,id 都是连续的。这时,这个库就发生了数据不一致。

你可以分析一下,出现这个问题的原因是什么?

其实,这是因为原库 session B 的 insert 语句,生成的 id 不连续。这个不连续的 id,用 statement 格式的 binlog 来串行执行,是执行不出来的。

而要解决这个问题,有两种思路:

  1. 一种思路是,让原库的批量插入数据语句,固定生成连续的 id 值。所以,自增锁直到语句执行结束才释放,就是为了达到这个目的。
  2. 另一种思路是,在 binlog 里面把插入数据的操作都如实记录进来,到备库执行的时候,不再依赖于自增主键去生成。这种情况,其实就是 innodb_autoinc_lock_mode 设置为 2,同时 binlog_format 设置为 row。

因此,在生产上,尤其是有 insert … select 这种批量插入数据的场景时,从并发插入数据性能的角度考虑,我建议你这样设置:innodb_autoinc_lock_mode=2 ,并且 binlog_format=row. 这样做,既能提升并发性,又不会出现数据一致性问题。

需要注意的是,我这里说的批量插入数据,包含的语句类型是 insert … select、replace … select 和 load data 语句。

但是,在普通的 insert 语句里面包含多个 value 值的情况下,即使 innodb_autoinc_lock_mode 设置为 1,也不会等语句执行完成才释放锁。因为这类语句在申请自增 id 的时候,是可以精确计算出需要多少个 id 的,然后一次性申请,申请完成后锁就可以释放了。

也就是说,批量插入数据的语句,之所以需要这么设置,是因为“不知道要预先申请多少个 id”。

既然预先不知道要申请多少个自增 id,那么一种直接的想法就是需要一个时申请一个。但如果一个 select … insert 语句要插入 10 万行数据,按照这个逻辑的话就要申请 10 万次。显然,这种申请自增 id 的策略,在大批量插入数据的情况下,不但速度慢,还会影响并发插入的性能。

因此,对于批量插入数据的语句,MySQL 有一个批量申请自增 id 的策略:

  1. 语句执行过程中,第一次申请自增 id,会分配 1 个;
  2. 1 个用完以后,这个语句第二次申请自增 id,会分配 2 个;
  3. 2 个用完以后,还是这个语句,第三次申请自增 id,会分配 4 个;
  4. 依此类推,同一个语句去申请自增 id,每次申请到的自增 id 个数都是上一次的两倍。

举个例子,我们一起看看下面的这个语句序列:

insert into t values(null, 1,1);
insert into t values(null, 2,2);
insert into t values(null, 3,3);
insert into t values(null, 4,4);
create table t2 like t;
insert into t2(c,d) select c,d from t;
insert into t2 values(null, 5,5);

insert…select,实际上往表 t2 中插入了 4 行数据。但是,这四行数据是分三次申请的自增 id,第一次申请到了 id=1,第二次被分配了 id=2 和 id=3, 第三次被分配到 id=4 到 id=7。

由于这条语句实际只用上了 4 个 id,所以 id=5 到 id=7 就被浪费掉了。之后,再执行 insert into t2 values(null, 5,5),实际上插入的数据就是(8,5,5)。

这是主键 id 出现自增 id 不连续的第三种原因。

小结

今天,我们从“自增主键为什么会出现不连续的值”这个问题开始,首先讨论了自增值的存储。

在 MyISAM 引擎里面,自增值是被写在数据文件上的。而在 InnoDB 中,自增值是被记录在内存的。MySQL 直到 8.0 版本,才给 InnoDB 表的自增值加上了持久化的能力,确保重启前后一个表的自增值不变。

然后,我和你分享了在一个语句执行过程中,自增值改变的时机,分析了为什么 MySQL 在事务回滚的时候不能回收自增 id。

MySQL 5.1.22 版本开始引入的参数 innodb_autoinc_lock_mode,控制了自增值申请时的锁范围。从并发性能的角度考虑,我建议你将其设置为 2,同时将 binlog_format 设置为 row。我在前面的文章中其实多次提到,binlog_format 设置为 row,是很有必要的。今天的例子给这个结论多了一个理由。

最后,我给你留一个思考题吧。

在最后一个例子中,执行 insert into t2(c,d) select c,d from t; 这个语句的时候,如果隔离级别是可重复读(repeatable read),binlog_format=statement。这个语句会对表 t 的所有记录和间隙加锁。

你觉得为什么需要这么做呢?

你可以把你的思考和分析写在评论区,我会在下一篇文章和你讨论这个问题。感谢你的收听,也欢迎你把这篇文章分享给更多的朋友一起阅读。

上期问题时间

上期的问题是,如果你维护的 MySQL 系统里有内存表,怎么避免内存表突然丢数据,然后导致主备同步停止的情况。

我们假设的是主库暂时不能修改引擎,那么就把备库的内存表引擎先都改成 InnoDB。对于每个内存表,执行

set sql_log_bin=off;
alter table tbl_name engine=innodb;

这样就能避免备库重启的时候,数据丢失的问题。

由于主库重启后,会往 binlog 里面写“delete from tbl_name”,这个命令传到备库,备库的同名的表数据也会被清空。

因此,就不会出现主备同步停止的问题。

如果由于主库异常重启,触发了 HA,这时候我们之前修改过引擎的备库变成了主库。而原来的主库变成了新备库,在新备库上把所有的内存表(这时候表里没数据)都改成 InnoDB 表。

所以,如果我们不能直接修改主库上的表引擎,可以配置一个自动巡检的工具,在备库上发现内存表就把引擎改了。

同时,跟业务开发同学约定好建表规则,避免创建新的内存表。