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AUTO_INCREMENT

本文介绍列属性 AUTO_INCREMENT 的基本概念、实现原理、自增相关的特性，以及使用限制。

基本概念

AUTO_INCREMENT 是用于自动填充缺省列值的列属性。当 INSERT 语句没有指定 AUTO_INCREMENT 列的具体值时，系统会自动地为该列分配一个值。

出于性能原因，自增编号是系统批量分配给每台 TiDB 服务器的值（默认 3 万个值），因此自增编号能保证唯一性，但分配给 INSERT 语句的值仅在单台 TiDB 服务器上具有单调性。

CREATE TABLE t(id int PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, c int);

INSERT INTO t(c) VALUES (1);
INSERT INTO t(c) VALUES (2);
INSERT INTO t(c) VALUES (3), (4), (5);

SELECT * FROM t;
+----+---+
| id | c |
+----+---+
| 1  | 1 |
| 2  | 2 |
| 3  | 3 |
| 4  | 4 |
| 5  | 5 |
+----+---+
5 rows in set (0.01 sec)

此外，AUTO_INCREMENT 还支持显式指定列值的插入语句，此时 TiDB 会保存显式指定的值：

INSERT INTO t(id, c) VALUES (6, 6);

SELECT * FROM t;
+----+---+
| id | c |
+----+---+
| 1  | 1 |
| 2  | 2 |
| 3  | 3 |
| 4  | 4 |
| 5  | 5 |
| 6  | 6 |
+----+---+
6 rows in set (0.01 sec)

以上用法和 MySQL 的 AUTO_INCREMENT 用法一致。但在隐式分配的具体值方面，TiDB 和 MySQL 之间具有较为显著的差异。

实现原理

TiDB 实现 AUTO_INCREMENT 隐式分配的原理是，对于每一个自增列，都使用一个全局可见的键值对用于记录当前已分配的最大 ID。由于分布式环境下的节点通信存在一定开销，为了避免写请求放大的问题，每个 TiDB 节点在分配 ID 时，都申请一段 ID 作为缓存，用完之后再去取下一段，而不是每次分配都向存储节点申请。例如，对于以下新建的表：

CREATE TABLE t(id int UNIQUE KEY AUTO_INCREMENT, c int);

假设集群中有两个 TiDB 实例 A 和 B，如果向 A 和 B 分别对 t 执行一条插入语句：

INSERT INTO t (c) VALUES (1)

实例 A 可能会缓存 [1,30000] 的自增 ID，而实例 B 则可能缓存 [30001,60000] 的自增 ID。各自实例缓存的 ID 将随着执行将来的插入语句被作为缺省值，顺序地填充到 AUTO_INCREMENT 列中。

基本特性

唯一性保证

例如在上述示例中，依次执行如下操作：

  1. 客户端向实例 B 插入一条将 id 设置为 2 的语句 INSERT INTO t VALUES (2, 1)，并执行成功。
  2. 客户端向实例 A 发送 INSERT 语句 INSERT INTO t (c) (1)，这条语句中没有指定 id 的值，所以会由 A 分配。当前 A 缓存了 [1, 30000] 这段 ID，可能会分配 2 为自增 ID 的值，并把本地计数器加 1。而此时数据库中已经存在 id 为 2 的数据，最终返回 Duplicated Error 错误。

单调性保证

TiDB 保证 AUTO_INCREMENT 自增值在单台服务器上单调递增。以下示例在一台服务器上生成连续的 AUTO_INCREMENT 自增值 1-3：

CREATE TABLE t (a int PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, b timestamp NOT NULL DEFAULT NOW());
INSERT INTO t (a) VALUES (NULL), (NULL), (NULL);
SELECT * FROM t;

Query OK, 0 rows affected (0.11 sec)
Query OK, 3 rows affected (0.02 sec)
Records: 3  Duplicates: 0  Warnings: 0
+---+---------------------+
| a | b                   |
+---+---------------------+
| 1 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 2 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 3 | 2020-09-09 20:38:22 |
+---+---------------------+
3 rows in set (0.00 sec)

TiDB 能保证自增值的单调性，但并不能保证其连续性。参考以下示例：

CREATE TABLE t (id INT NOT NULL PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, a VARCHAR(10), cnt INT NOT NULL DEFAULT 1, UNIQUE KEY (a));
INSERT INTO t (a) VALUES ('A'), ('B');
SELECT * FROM t;
INSERT INTO t (a) VALUES ('A'), ('C') ON DUPLICATE KEY UPDATE cnt = cnt + 1;
SELECT * FROM t;

Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

Query OK, 2 rows affected (0.00 sec)
Records: 2  Duplicates: 0  Warnings: 0

+----+------+-----+
| id | a    | cnt |
+----+------+-----+
|  1 | A    |   1 |
|  2 | B    |   1 |
+----+------+-----+
2 rows in set (0.00 sec)

Query OK, 3 rows affected (0.00 sec)
Records: 2  Duplicates: 1  Warnings: 0

+----+------+-----+
| id | a    | cnt |
+----+------+-----+
|  1 | A    |   2 |
|  2 | B    |   1 |
|  4 | C    |   1 |
+----+------+-----+
3 rows in set (0.00 sec)

在以上示例 INSERT INTO t (a) VALUES ('A'), ('C') ON DUPLICATE KEY UPDATE cnt = cnt + 1; 语句中，自增值 3 被分配为 A 键对应的 id 值，但实际上 3 并未作为 id 值插入进表中。这是因为该 INSERT 语句包含一个重复键 A，使得自增序列不连续，出现了间隙。该行为尽管与 MySQL 不同，但仍是合法的。MySQL 在其他情况下也会出现自增序列不连续的情况，例如事务被中止和回滚时。

AUTO_ID_CACHE

如果在另一台服务器上执行插入操作，那么 AUTO_INCREMENT 值的顺序可能会剧烈跳跃，这是由于每台服务器都有各自缓存的 AUTO_INCREMENT 自增值。

CREATE TABLE t (a INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT, b TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT NOW());
INSERT INTO t (a) VALUES (NULL), (NULL), (NULL);
INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
SELECT * FROM t;

Query OK, 1 row affected (0.03 sec)

+---------+---------------------+
| a       | b                   |
+---------+---------------------+
|       1 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       2 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       3 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 2000001 | 2020-09-09 20:43:43 |
+---------+---------------------+
4 rows in set (0.00 sec)

以下示例在最先的一台服务器上执行一个插入 INSERT 操作，生成 AUTO_INCREMENT 值 4。因为这台服务器上仍有剩余的 AUTO_INCREMENT 缓存值可用于分配。在该示例中，值的顺序不具有全局单调性：

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

SELECT * FROM t ORDER BY b;
+---------+---------------------+
| a       | b                   |
+---------+---------------------+
|       1 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       2 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       3 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 2000001 | 2020-09-09 20:43:43 |
|       4 | 2020-09-09 20:44:43 |
+---------+---------------------+
5 rows in set (0.00 sec)

AUTO_INCREMENT 缓存不会持久化，重启会导致缓存值失效。以下示例中，最先的一台服务器重启后，向该服务器执行一条插入操作：

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

SELECT * FROM t ORDER BY b;
+---------+---------------------+
| a       | b                   |
+---------+---------------------+
|       1 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       2 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       3 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 2000001 | 2020-09-09 20:43:43 |
|       4 | 2020-09-09 20:44:43 |
| 2030001 | 2020-09-09 20:54:11 |
+---------+---------------------+
6 rows in set (0.00 sec)

TiDB 服务器频繁重启可能导致 AUTO_INCREMENT 缓存值被快速消耗。在以上示例中，最先的一台服务器本来有可用的缓存值 [5-3000]。但重启后，这些值便丢失了，无法进行重新分配。

用户不应指望 AUTO_INCREMENT 值保持连续。在以下示例中，一台 TiDB 服务器的缓存值为 [2000001-2030000]。当手动插入值 2029998 时，TiDB 取用了一个新缓存区间的值：

INSERT INTO t (a) VALUES (2029998);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

INSERT INTO t (a) VALUES (NULL);
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

SELECT * FROM t ORDER BY b;
+---------+---------------------+
| a       | b                   |
+---------+---------------------+
|       1 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       2 | 2020-09-09 20:38:22 |
|       3 | 2020-09-09 20:38:22 |
| 2000001 | 2020-09-09 20:43:43 |
|       4 | 2020-09-09 20:44:43 |
| 2030001 | 2020-09-09 20:54:11 |
| 2029998 | 2020-09-09 21:08:11 |
| 2029999 | 2020-09-09 21:08:11 |
| 2030000 | 2020-09-09 21:08:11 |
| 2060001 | 2020-09-09 21:08:11 |
| 2060002 | 2020-09-09 21:08:11 |
+---------+---------------------+
11 rows in set (0.00 sec)

以上示例插入 2030000 后，下一个值为 2060001，即顺序出现跳跃。这是因为另一台 TiDB 服务器获取了中间缓存区间 [2030001-2060000]。当部署有多台 TiDB 服务器时，AUTO_INCREMENT 值的顺序会出现跳跃，因为对缓存值的请求是交叉出现的。

缓存大小控制

TiDB 自增 ID 的缓存大小在早期版本中是对用户透明的。从 v3.1.2、v3.0.14 和 v4.0.rc-2 版本开始，TiDB 引入了 AUTO_ID_CACHE 表选项来允许用户自主设置自增 ID 分配缓存的大小。例如：

CREATE TABLE t(a int AUTO_INCREMENT key) AUTO_ID_CACHE 100;
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

INSERT INTO t VALUES();
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

SELECT * FROM t;
+---+
| a |
+---+
| 1 |
+---+
1 row in set (0.01 sec)

此时如果将该列的自增缓存无效化，重新进行隐式分配：

DELETE FROM t;
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

RENAME TABLE t to t1;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

INSERT INTO t1 VALUES()
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

SELECT * FROM t;
+-----+
| a   |
+-----+
| 101 |
+-----+
1 row in set (0.00 sec)

可以看到再一次分配的值为 101，说明该表的自增 ID 分配缓存的大小为 100。

此外如果在批量插入的 INSERT 语句中所需连续 ID 长度超过 AUTO_ID_CACHE 的长度时，TiDB 会适当调大缓存以便能够保证该语句的正常插入。

自增步长和偏移量设置

从 v3.0.9 和 v4.0.rc-1 开始，和 MySQL 的行为类似，自增列隐式分配的值遵循 session 变量 @@auto_increment_increment 和 @@auto_increment_offset 的控制，其中自增列隐式分配的值 (ID) 将满足式子 (ID - auto_increment_offset) % auto_increment_increment == 0。

MySQL 兼容模式

从 v6.4.0 开始，TiDB 实现了中心化分配自增 ID 的服务，可以支持 TiDB 实例不缓存数据，而是每次请求都访问中心化服务获取 ID。

当前中心化分配服务内置在 TiDB 进程，类似于 DDL Owner 的工作模式。有一个 TiDB 实例将充当“主”的角色提供 ID 分配服务，而其它的 TiDB 实例将充当“备”角色。当“主”节点发生故障时，会自动进行“主备切换”，从而保证中心化服务的高可用。

MySQL 兼容模式的使用方式是，建表时将 AUTO_ID_CACHE 设置为 1：

CREATE TABLE t(a int AUTO_INCREMENT key) AUTO_ID_CACHE 1;

使用 MySQL 兼容模式后，能保证 ID 唯一、单调递增，行为几乎跟 MySQL 完全一致。即使跨 TiDB 实例访问，ID 也不会出现回退。只有当中心化服务的“主” TiDB 实例异常崩溃时，才有可能造成少量 ID 不连续。这是因为主备切换时，“备” 节点需要丢弃一部分之前的“主” 节点可能已经分配的 ID，以保证 ID 不出现重复。

使用限制

目前在 TiDB 中使用 AUTO_INCREMENT 有以下限制：

  • 对于 v6.6.0 及更早的 TiDB 版本，定义的列必须为主键或者索引前缀。
  • 只能定义在类型为整数、FLOAT 或 DOUBLE 的列上。
  • 不支持与列的默认值 DEFAULT 同时指定在同一列上。
  • 不支持使用 ALTER TABLE 来添加 AUTO_INCREMENT 属性。
  • 支持使用 ALTER TABLE 来移除 AUTO_INCREMENT 属性。但从 TiDB 2.1.18 和 3.0.4 版本开始，TiDB 通过 session 变量 @@tidb_allow_remove_auto_inc 控制是否允许通过 ALTER TABLE MODIFY 或 ALTER TABLE CHANGE 来移除列的 AUTO_INCREMENT 属性，默认是不允许移除。
  • ALTER TABLE 需要 FORCE 选项来将 AUTO_INCREMENT 设置为较小的值。
  • 将 AUTO_INCREMENT 设置为小于 MAX(<auto_increment_column>) 的值会导致重复键，因为预先存在的值不会被跳过。
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