详解MySQL自增主键的实现

Shun

现在大部分的软件开发都离不开数据库。而mysql也是经常会用到的一个数据库。mysql数据库中有一个主键生成规则，就是自增。也是我们经常会用到的。本文就来介绍一下
一、自增值保存在哪儿？
不同的引擎对于自增值的保存策略不同
1.MyISAM引擎的自增值保存在数据文件中
2.InnoDB引擎的自增值，在MySQL5.7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)+步长作为这个表当前的自增值

select max(ai_col) from table_name for update;

在MySQL8.0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

二、自增值修改机制
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
假设，某次要插入的值是X，当前的自增值是Y
1.如果X<Y，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（初始值）开始，以auto_increment_increment（步长）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

三、自增值的修改时机
创建一个表t，其中id是自增主键字段、c是唯一索引，建表语句如下：

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;

假设，表t里面已经有了(1,1,1)这条记录，这时再执行一条插入数据命令：

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

执行流程如下：
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发现用于没有指定自增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（唯一键冲突），语句返回
对应的执行流程图如下：

在这之后，再插入新的数据行时，拿到的自增id就是3。出现了自增主键不连续的情况
唯一键冲突和事务回滚都会导致自增主键id不连续的情况

四、自增锁的优化
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
但在MySQL5.0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
MySQL5.1.22版本引入了一个新策略，新增参数innodb_autoinc_lock_mode，默认值是1
1.这个参数设置为0，表示采用之前MySQL5.0版本的策略，即语句执行结束后才释放锁
2.这个参数设置为1

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.这个参数设置为2，所有的申请自增主键的动作都是申请后就释放锁
为了数据的一致性，默认设置为1

如果sessionB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：

sessionB先插入了两行数据(1,1,1)、(2,2,2)
sessionA来申请自增id得到id=3，插入了(3,5,5)
之后，sessionB继续执行，插入两条记录(4,3,3)、(5,4,4)

当binlog_format=statement的时候，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sessionA的，要么先记录sessionB的。无论是哪一种，这个binlog拿到从库执行，或者用来恢复临时实例，备库和临时实例里面，sessionB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
解决这个问题的思路：
1）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）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。也就是把innodb_autoinc_lock_mode设置为2，同时binlog_format设置为row
如果有批量插入数据（insert … select、replace … select和load data）的场景时，从并发插入数据性能的角度考虑，建议把innodb_autoinc_lock_mode设置为2，同时binlog_format设置为row，这样做既能并发性，又不会出现数据一致性的问题
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.依次类推，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

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
由于这条语句实际上只用上了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)，实际上插入了的数据就是(8,5,5)
这是主键id出现自增id不连续的第三种原因

五、自增主键用完了
自增主键字段在达到定义类型上限后，再插入一行记录，则会报主键冲突的错误
以无符号整型（4个字节，上限就是 2 32 − 1 2^{32}-1 232−1）为例，通过下面这个语句序列验证一下：

CREATE TABLE t ( id INT UNSIGNED auto_increment PRIMARY KEY ) auto_increment = 4294967295;
INSERT INTO t VALUES(NULL);
INSERT INTO t VALUES(NULL);

第一个insert语句插入数据成功后，这个表的AUTO_INCREMENT没有改变（还是4294967295），就导致了第二个insert语句又拿到相同的自增id值，再试图执行插入语句，报主键冲突错误
推荐资料：
https://time.geekbang.org/column/article/80531
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原文链接：https://blog.csdn.net/qq_40378034/article/details/90736544

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