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MySQL自增主键一定是连续的吗
数据库
MySQL
大厂面试

作者：飞天小牛肉

原文：https://mp.weixin.qq.com/s/qci10h9rJx_COZbHV3aygQ

众所周知，自增主键可以让聚集索引尽量地保持递增顺序插入，避免了随机查询，从而提高了查询效率。

但实际上，MySQL 的自增主键并不能保证一定是连续递增的。

下面举个例子来看下，如下所示创建一张表：

自增值保存在哪里？

使用 insert into test_pk values(null, 1, 1) 插入一行数据，再执行 show create table 命令来看一下表的结构定义：

上述表的结构定义存放在后缀名为 .frm 的本地文件中，在 MySQL 安装目录下的 data 文件夹下可以找到这个 .frm 文件：

从上述表结构可以看到，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。

但需要注意的是，自增值并不会保存在这个表结构也就是 .frm 文件中，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，其实是保存在了内存里，并没有持久化。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。

举个例子：我们现在表里当前数据行里最大的 id 是 1，AUTO_INCREMENT=2，对吧。这时候，我们删除 id=1 的行，AUTO_INCREMENT 还是 2。

但如果马上重启 MySQL 实例，重启后这个表的 AUTO_INCREMENT 就会变成 1。 也就是说，MySQL 重启可能会修改一个表的 AUTO_INCREMENT 的值。

以上，是在我本地 MySQL 5.x 版本的实验，实际上，到了 MySQL 8.0 版本后，自增值的变更记录被放在了 redo log 中，提供了自增值持久化的能力 ，也就是实现了“如果发生重启，表的自增值可以根据 redo log 恢复为 MySQL 重启前的值”

也就是说对于上面这个例子来说，重启实例后这个表的 AUTO_INCREMENT 仍然是 2。

理解了 MySQL 自增值到底保存在哪里以后，我们再来看看自增值的修改机制，并以此引出第一种自增值不连续的场景。

自增值不连续的场景

自增值不连续场景 1

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：

  • 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；
  • 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 insert_num，当前的自增值是 autoIncrement_num：

  • 如果 insert_num < autoIncrement_num，那么这个表的自增值不变
  • 如果 insert_num >= autoIncrement_num，就需要把当前自增值修改为新的自增值

也就是说，如果插入的 id 是 100，当前的自增值是 90，insert_num >= autoIncrement_num，那么自增值就会被修改为新的自增值即 101

一定是这样吗？

非也~

了解过分布式 id 的小伙伴一定知道，为了避免两个库生成的主键发生冲突，我们可以让一个库的自增 id 都是奇数，另一个库的自增 id 都是偶数

这个奇数偶数其实是通过 auto_increment_offset 和 auto_increment_increment 这两个参数来决定的，这俩分别用来表示自增的初始值和步长，默认值都是 1。

所以，上面的例子中生成新的自增值的步骤实际是这样的：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 100 的值，作为新的自增值。

所以，这种情况下，自增值可能会是 102，103 等等之类的，就会导致不连续的主键 id。

更遗憾的是，即使在自增初始值和步长这两个参数都设置为 1 的时候，自增主键 id 也不一定能保证主键是连续的

自增值不连续场景 2

举个例子，我们现在往表里插入一条 (null,1,1) 的记录，生成的主键是 1，AUTO_INCREMENT= 2，对吧

这时我再执行一条插入 (null,1,1) 的命令，很显然会报错 Duplicate entry，因为我们设置了一个唯一索引字段 a：

但是，你会惊奇的发现，虽然插入失败了，但自增值仍然从 2 增加到了 3！

这是为啥？

我们来分析下这个 insert 语句的执行流程：

  1. 执行器调用 InnoDB 引擎接口准备插入一行记录 (null,1,1);
  2. InnoDB 发现用户没有指定自增 id 的值，则获取表 test_pk 当前的自增值 2；
  3. 将传入的记录改成 (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 a=1 的记录，所以报 Duplicate key error，语句返回

可以看到，自增值修改的这个操作，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 a 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。

至此，我们已经罗列了两种自增主键不连续的情况：

  1. 自增初始值和自增步长设置不为 1
  2. 唯一键冲突

除此之外，事务回滚也会导致这种情况

自增值不连续场景 3

我们现在表里有一行 (1,1,1) 的记录，AUTO_INCREMENT = 3：

我们先插入一行数据 (null, 2, 2)，也就是 (3, 2, 2) 嘛，并且 AUTO_INCREMENT 变为 4：

再去执行这样一段 SQL：

虽然我们插入了一条 (null, 3, 3) 记录，但是使用 rollback 进行回滚了，所以数据库中是没有这条记录的：

在这种事务回滚的情况下，自增值并没有同样发生回滚！如下图所示，自增值仍然固执地从 4 增加到了 5：

所以这时候我们再去插入一条数据（null, 3, 3）的时候，主键 id 就会被自动赋为 5 了：

那么，为什么在出现唯一键冲突或者回滚的时候，MySQL 没有把表的自增值改回去呢？回退回去的话不就不会发生自增 id 不连续了吗？

事实上，这么做的主要原因是为了提高性能。

我们直接用反证法来验证：假设 MySQL 在事务回滚的时候会把自增值改回去，会发生什么？

现在有两个并行执行的事务 A 和 B，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，对吧。

  1. 假设事务 A 申请到了 id = 1， 事务 B 申请到 id=2，那么这时候表 t 的自增值是 3，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，也就是 id = 1 的那行记录插入失败了，那如果允许事务 A 把自增 id 回退，也就是把表的当前自增值改回 1，那么就会出现这样的情况：表里面已经有 id = 2 的行，而当前的自增 id 值是 1。
  3. 接下来，继续执行的其他事务就会申请到 id=2。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
  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

很显然，上述两个方法的成本都比较高，会导致性能问题。而究其原因呢，是我们假设的这个 “允许自增 id 回退”。

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。

综上，已经分析了三种自增值不连续的场景，还有第四种场景：批量插入数据。

自增值不连续场景 4

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。

注意，这里说的批量插入数据，不是在普通的 insert 语句里面包含多个 value 值！！！，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。

而对于 insert … select、replace … select 和 load data 这种类型的语句来说，MySQL 并不知道到底需要申请多少 id，所以就采用了这种批量申请的策略，毕竟一个一个申请的话实在太慢了。

举个例子，假设我们现在这个表有下面这些数据：

我们创建一个和当前表 test_pk 有相同结构定义的表 test_pk2：

然后使用 insert...select 往 teset_pk2 表中批量插入数据：

可以看到，成功导入了数据。

再来看下 test_pk2 的自增值是多少：

如上分析，是 8 而不是 6

具体来说，insert…select 实际上往表中插入了 5 行数据 （1 1）（2 2）（3 3）（4 4）（5 5）。但是，这五行数据是分三次申请的自增 id，结合批量申请策略，每次申请到的自增 id 个数都是上一次的两倍，所以：

  • 第一次申请到了一个 id：id=1
  • 第二次被分配了两个 id：id=2 和 id=3
  • 第三次被分配到了 4 个 id：id=4、id = 5、id = 6、id=7

由于这条语句实际只用上了 5 个 id，所以 id=6 和 id=7 就被浪费掉了。之后，再执行 insert into test_pk2 values(null,6,6)，实际上插入的数据就是（8,6,6)：

小结

本文总结下自增值不连续的 4 个场景：

  1. 自增初始值和自增步长设置不为 1
  2. 唯一键冲突
  3. 事务回滚
  4. 批量插入（如 insert...select 语句）