前往小程序，Get更优阅读体验！
立即前往
文档建议反馈控制台
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
最新优惠活动
文章/答案/技术大牛
发布
首页
学习
活动
专区
工具
TVP最新优惠活动
返回腾讯云官网
社区首页 >专栏 >Postgresql源码（69）常规锁简单分析

Postgresql源码（69）常规锁简单分析

作者头像
mingjie
发布于 2022-09-21 20:58:30
3580
发布于 2022-09-21 20:58:30
举报
文章被收录于专栏：Postgresql源码分析Postgresql源码分析

相关： 《Postgresql源码（40）Latch的原理分析和应用场景》 《Postgresql源码（67）LWLock锁的内存结构与初始化》 《Postgresql源码（68）virtualxid锁的原理和应用场景》 《Postgresql源码（69）常规锁简单分析》

0 总结 & 速查

数据结构需要注意的是：

  • LOCKTAG唯一值组成：四个公共区域可以放四个唯一标识；一个锁类型记录锁住的对象类型；一个锁method（咨询所一类、其他锁一类）。
  • 本地锁表：相当于缓存，记录已经申请过得锁，包括fastpath锁和主锁表的锁，都会在本地锁表中记录。
  • fastpath
    • 记录在PGPROC中，使用一个uint64位图（3位一组16组共48位，每组记录一个锁级别）和一个16个oid的数组记录16个表的Oid。
    • fastpath进入需要两个条件：1 弱锁、2 共享内存fastpath数组，对应锁位置（锁tag哈希%1024到一个位置）上为0（表示这个tag不是强锁）。
    • 如果共享内存fastpath数组对应tag位置上是1，则不能使用fastpath。
  • 主锁表：本地锁表、fastpath都查不到，不管弱锁、强锁都去主锁表中申请，申请后如果主锁表中没有，则创建；如果有，则判断相容性。

加锁过程需要注意的是：

  1. 【本地】先查本地锁表，注意本地锁表的TAG是LOCKTAG+锁级别。
  2. 【fastpath查询】如满足加锁对象是表 && 【弱锁】 && fastpath坑位没满（PGPROC中可记录16个表OID）可以走fastpath。去遍历MYPROC的数组的16个位置，查到了或上当前申请的锁级别就返回（同时记录到本地锁表）。
  3. 【fastpath维护】【共享内存强锁数组】如满足加锁对象是表 && 【强锁】，需要维护fastpath，把强锁的tag的hashcode%1024找到fastpath共享内存数组位置，对位置++表示有强锁申请过这个对象了，后面即使在来弱锁上一步也过不了了。
  4. 【fastpath维护】【fastpath锁换到主锁表】如果有强锁申请了，需要把所有PGPROC的记录的16个fastpath OID全部查一遍，如果有，需要把fastpath弱锁清理，在主锁表中重建弱锁，便于死锁检测、锁冲突检查。
  5. 【主锁表进程锁表查找/新建】用tag去主锁表中查询，如果没有新建，如果有返回LOCK结构。
  6. 【冲突检查】【等锁队列检查】检查要加的锁级别，和当前锁的等待队列中的锁级别是否有冲突，如果冲突需要等待。
  7. 【冲突检查】【锁相容性检查】检查申请的级别和锁本身已经GRANT的级别是否相容。
  8. 【等待】如果冲突，开始等待。

关于第六点举例，PG经典的锁排队场景的成因（具体看3.5）

  • 第一个人拿1级锁（select长事务）
  • 第二个人等着拿8级锁（vacuum full）
  • 又来一个1级锁，必须要排队！因为强锁来了把fastpath的共享内存强锁位置标记了，后来的1级锁都不能在走fastpath了，走不成fastpath只能走主锁表，就会到这里等待。

关于lockmode和locktype：

  • lockmode：1-8级锁，1-3弱锁，4，5-8强锁。
  • locktype：在tag中维护，记录锁对象类型。

1 常规锁概念

常规锁相容性复习：https://www.postgresql.org/docs/14/explicit-locking.html

  • 常规锁共8把锁，常称为1-8级锁，便于记忆：
    • 1-3级锁为弱锁，内部相容（增删改查）。
    • 5-8级锁为强锁，内部不相容（建索引、vacuum full、alter table等）。
    • 4级锁比较特殊，和弱锁相容，但和自己不相容（vacuum、analyaze、create index concurrently）。

2 常规锁关键数据结构

  • 【共享内存】主锁表：LockMethodLockHash（存储所有锁对象）
  • 【共享内存】锁进程关系表：LockMethodProcLockHash（查询当前进程阻塞了哪些进程，死锁检测）
  • 【本地内存】本地锁表：对重复申请的锁计数，避免频繁访问（本地快速加锁，锁缓存）
  • ​
  • 【共享内存】本地弱锁fastpath（需要共享内存中查询是否有强锁FastPathStrongRelationLockData）

2.1 主锁表LockMethodLockHash（共享内存）

共享内存中维护两个核心哈希表：

  • 主锁表：LockMethodLockHash (key: LOCKTAG)->(value:LOCK)
  • 进程锁表：LockMethodProcLockHash (key: PROCLOCKTAG)->(value:PROCLOCK)
代码语言：javascript
复制
InitLocks
	...
	static HTAB *LockMethodLockHash;
	LockMethodLockHash = ShmemInitHash("LOCK hash",
									   init_table_size,
									   max_table_size,
									   &info,
									   HASH_ELEM | HASH_BLOBS | HASH_PARTITION);

	static HTAB *LockMethodProcLockHash;
	LockMethodProcLockHash = ShmemInitHash("PROCLOCK hash",
										   init_table_size,
										   max_table_size,
										   &info,
										   HASH_ELEM | HASH_FUNCTION | HASH_PARTITION);

关键数据结构：

  1. 数据结构的设计主要还是为了便于查询，本来只需要一个main lock table即可（用【LOCKTAG】查【LOCK】结构）。但是因为有锁队列的存在，有时需要知道哪些会话在等锁、某个锁有哪些会话在等这样一些问题，所以增加了PROCLOCK结构，用来维护锁和后台进程的关系。
  2. 使用进程锁表LockMethodProcLockHash可以做到用【LOCK+PGPROC】查询【PROCLOCK】结构，维持锁和会话的关系。

logtype

locktag_lockmethodid

目前只有两套，2是专门给咨询锁使用的，其他都是1。

代码语言：javascript
复制
/* These identify the known lock methods */
#define DEFAULT_LOCKMETHOD	1
#define USER_LOCKMETHOD		2

2.2 fastpath强锁表FastPathStrongRelationLocks（共享内存）

数据库最常发生的增删改查正常都需要去主锁表中申请常规锁，但是DML操作其实只需要弱锁，且弱锁之间是相容的；所以PG在1-3级锁上做了一层优化：如果事务对某个对象申请弱锁，且对象上没有别人申请的强锁，则可以在会话本地记录弱锁，不走主锁表，不写共享内存。

这里有两个条件：

  1. 自己申请弱锁（已知）
  2. 申请对象上没有别人加强锁（需要查询）

对象上有没有别人申请过强锁这个信息，记录到下面共享内存结构中的count中，如果有加过强锁，对应位置的计数加1。注意这个数据结构是放在共享内存中的。但是访问他的代价，比每次都去主锁表中加锁要低很多。

共享内存结构：

代码语言：javascript
复制
lock.c
typedef struct
{
	slock_t		mutex;
	uint32		count[FAST_PATH_STRONG_LOCK_HASH_PARTITIONS]; // tag算hash值后%1024到这里1024个位置，是强锁就+1
} FastPathStrongRelationLockData;

static volatile FastPathStrongRelationLockData *FastPathStrongRelationLocks;

初始化：
InitLocks
	...
	FastPathStrongRelationLocks =
		ShmemInitStruct("Fast Path Strong Relation Lock Data",
						sizeof(FastPathStrongRelationLockData), &found);

fastpath锁信息记录位置：

代码语言：javascript
复制
PGPROC
{
	...
	// fastpath使用
	LWLock		fpInfoLock;		/* protects per-backend fast-path state */
	uint64		fpLockBits;		/* lock modes held for each fast-path slot */
	Oid			fpRelId[FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND]; // 最多能存16个oid
	
	// 下面是VXID专用
	bool		fpVXIDLock;		/* are we holding a fast-path VXID lock? */
	LocalTransactionId fpLocalTransactionId;	/* lxid for fast-path VXID
												 * lock */
	...
}

关于fpLockBits、fpLockBits下面有具体介绍。

2.3 本地锁表LockMethodLocalHash（本地内存）

本地内存中维护本地锁表：LockMethodLockHash

在事务内第一次申请锁需要检查冲突，拿到锁后，如果同事务内继续申请这把锁，就可以直接获取到了。因为事务内的锁是在事务结束时统一释放的。

在申请成功后，将锁信息存到下面本地锁表结构中，供后面使用：

代码语言：javascript
复制
typedef struct LOCALLOCKTAG
{
	LOCKTAG		lock;			/* identifies the lockable object */
	LOCKMODE	mode;			/* lock mode for this table entry */
} LOCALLOCKTAG;
typedef struct LOCALLOCK
{
	/* tag */
	LOCALLOCKTAG tag;			/* unique identifier of locallock entry */

	/* data */
	uint32		hashcode;		/* copy of LOCKTAG's hash value */
	LOCK	   *lock;			// 锁
	PROCLOCK   *proclock;		// 锁进程关系
	int64		nLocks;			// 本地多少次持有这个锁
	int			numLockOwners;	// ResourceOwners的数量
	int			maxLockOwners;	// 保存ResourceOwners的数组长度
	LOCALLOCKOWNER *lockOwners; /* dynamically resizable array */
	bool		holdsStrongLockCount;	// 是否持有强锁
	bool		lockCleared;	/* we read all sinval msgs for lock */
} LOCALLOCK;

初始化

代码语言：javascript
复制
InitLocks
	...
	LockMethodLocalHash = hash_create("LOCALLOCK hash",
									  16,
									  &info,
									  HASH_ELEM | HASH_BLOBS);

3 加锁流程分析

API

代码语言：javascript
复制
LockAcquireResult
LockAcquire(const LOCKTAG *locktag,				：锁tag
			LOCKMODE lockmode,					：申请锁模式
			bool sessionLock,					：会话锁 或 事务锁
			bool dontWait)						：是否等待
{
	return LockAcquireExtended(locktag, lockmode, sessionLock, dontWait,
							   true, NULL);
}

LockAcquireExtended

代码语言：javascript
复制
LockAcquireResult
LockAcquireExtended(const LOCKTAG *locktag,
					LOCKMODE lockmode,
					bool sessionLock,
					bool dontWait,
					bool reportMemoryError,
					LOCALLOCK **locallockp)
{
	...

3.1 查本地锁表

代码语言：javascript
复制
	MemSet(&localtag, 0, sizeof(localtag)); /* must clear padding */
	localtag.lock = *locktag;
	localtag.mode = lockmode;
	locallock = (LOCALLOCK *) hash_search(LockMethodLocalHash,
										  (void *) &localtag,
										  HASH_ENTER, &found);							  
	if (!found)
	{

没查到构造一条放入本地锁表

代码语言：javascript
复制
		locallock->lock = NULL;
		locallock->proclock = NULL;
		locallock->hashcode = LockTagHashCode(&(localtag.lock));
		locallock->nLocks = 0;                    // 没人持锁
		locallock->holdsStrongLockCount = false;  // 没有强锁
		locallock->lockCleared = false;
		locallock->numLockOwners = 0;
		locallock->maxLockOwners = 8;
		locallock->lockOwners = NULL;	/* in case next line fails */
		locallock->lockOwners = (LOCALLOCKOWNER *)
			MemoryContextAlloc(TopMemoryContext,
							   locallock->maxLockOwners * sizeof(LOCALLOCKOWNER));
	}
	else
	{

查到了，如果ResourcesOwner数组不够了，扩展数组

代码语言：javascript
复制
	 	if (locallock->numLockOwners >= locallock->maxLockOwners)
		{
			int			newsize = locallock->maxLockOwners * 2;

			locallock->lockOwners = (LOCALLOCKOWNER *)
				repalloc(locallock->lockOwners,
						 newsize * sizeof(LOCALLOCKOWNER));
			locallock->maxLockOwners = newsize;
		}
	}
	hashcode = locallock->hashcode;

如果locallock->nLocks，说明这个锁之前已经拿过了，就不用再走下面逻辑了。

由GrantLockLocal负责更新本地锁的内容。

1：locallock->nLocks++。

2：更新ResourceOwner，增加锁计数。

代码语言：javascript
复制
	if (locallock->nLocks > 0)
	{
		GrantLockLocal(locallock, owner);
		if (locallock->lockCleared)
			return LOCKACQUIRE_ALREADY_CLEAR;
		else
			return LOCKACQUIRE_ALREADY_HELD;
	}

3.2 查fastpath

进入条件一：EligibleForRelationFastPath

  • 必须是非咨询锁locktag_lockmethodid == DEFAULT_LOCKMETHOD
  • 必须是表锁locktag_type == LOCKTAG_RELATION
  • 必须是当前数据库的锁locktag_field1 == MyDatabaseId
  • 锁级别需要小于4(mode) < ShareUpdateExclusiveLock

进入条件二：

  • 本地fastpath锁不能超过16个FastPathLocalUseCount < FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND
代码语言：javascript
复制
/*
#define EligibleForRelationFastPath(locktag, mode) \
	((locktag)->locktag_lockmethodid == DEFAULT_LOCKMETHOD && \
	(locktag)->locktag_type == LOCKTAG_RELATION && \
	(locktag)->locktag_field1 == MyDatabaseId && \
	MyDatabaseId != InvalidOid && \
	(mode) < ShareUpdateExclusiveLock)
*/
	if (EligibleForRelationFastPath(locktag, lockmode) &&
		FastPathLocalUseCount < FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND)
	{

用tag算的hashcode在%1024，落到1024数组FastPathStrongRelationLocks->count的某个位置上。

代码语言：javascript
复制
		uint32		fasthashcode = FastPathStrongLockHashPartition(hashcode);
		bool		acquired;

		LWLockAcquire(&MyProc->fpInfoLock, LW_EXCLUSIVE);

查共享内存fastpath锁表FastPathStrongRelationLocks，检查是否有强锁。

代码语言：javascript
复制
		if (FastPathStrongRelationLocks->count[fasthashcode] != 0)
			acquired = false;
		else

没发现强锁，可以用fastpath加锁，下面要判断是否有位置能加fastpath锁。

（注意这里只把locktag_field2传进去了，表锁的tag组成是：[dbid, redid](SET_LOCKTAG_RELATION)，所以这里只把表的OID传进去了）

FastPathGrantRelationLock函数：

  • 使用PGPROC的数组Oid fpRelId[16];来保存OID。
  • 使用PGPROC的变量uint64 fpLockBits当做位图来记录锁级别。

FastPathGrantRelationLock逻辑：

  1. 3个bit一组按顺序查位图是不是空的，是空的就记录下来位置，不是空的就看下oid里面记的是不是需要的，如果正好Oid也是需要的，把当前请求锁模式或进去就可以返回了。
  2. 如果查了一遍位图，所有Oid都不是需要的，那就找一个空的位置，把锁级别记录到位图，OID记录到数组，然后返回。
  3. 如果查了一遍位图，没有一个空余位置，就返回false了。
代码语言：javascript
复制
static bool
FastPathGrantRelationLock(Oid relid, LOCKMODE lockmode)
{
	uint32		f;
	uint32		unused_slot = FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND;
	for (f = 0; f < FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND; f++)
	{
		if (FAST_PATH_GET_BITS(MyProc, f) == 0)
			unused_slot = f;
		else if (MyProc->fpRelId[f] == relid)
		{
			FAST_PATH_SET_LOCKMODE(MyProc, f, lockmode);
			return true;
		}
	}
	if (unused_slot < FP_LOCK_SLOTS_PER_BACKEND)
	{
		MyProc->fpRelId[unused_slot] = relid;
		FAST_PATH_SET_LOCKMODE(MyProc, unused_slot, lockmode);
		++FastPathLocalUseCount;
		return true;
	}
	return false;
}

回到LockAcquireExtended，如果拿到了fastpath，就可以直接返回了。

返回前要把locallock的lock和proclock置空，但是本地锁表还是有对应的项在的！区别就是locallock->lock字段是不是空的。

代码语言：javascript
复制
			acquired = FastPathGrantRelationLock(locktag->locktag_field2,
												 lockmode);
		LWLockRelease(&MyProc->fpInfoLock);
		if (acquired)
		{
			locallock->lock = NULL;
			locallock->proclock = NULL;
			GrantLockLocal(locallock, owner);
			return LOCKACQUIRE_OK;
		}
	}

3.3 外部请求强锁；标记fastpath共享内存冲突表；检查fastpath，如果存在需要换出到主锁表

ConflictsWithRelationFastPath检查：是强锁！

  • 非咨询锁locktag_lockmethodid == DEFAULT_LOCKMETHOD
  • 表锁locktag_type == LOCKTAG_RELATION
  • 锁等级大于4级(mode) > ShareUpdateExclusiveLock
代码语言：javascript
复制
	if (ConflictsWithRelationFastPath(locktag, lockmode))
	{
		uint32		fasthashcode = FastPathStrongLockHashPartition(hashcode);

开始处理强锁：BeginStrongLockAcquire

  • 1 （重要！相当于禁用了后面这个对象后来的所有fastpath）共享内存强锁表对应位置++FastPathStrongRelationLocks->count[fasthashcode]++;
  • 2 本地锁记录强锁存在locallock->holdsStrongLockCount = true
  • 3 全局记录本地强锁StrongLockInProgress = locallock

fastpath锁转换到主锁表：FastPathTransferRelationLocks

  • 1 轮询PGPROC，用表oid在fpRelId16数组中查询，如果找到了，用找到的锁级别去主锁表中加锁。
  • 2 清理fastpath对应的位置。
  • 3 完成转换：PGPROC记录的fastpath锁换成主锁表的锁，便于死锁检查。
  • 4 注意这里只是把fastpath中已经存在弱锁换到主锁表了，并没有给当前请求LockAcquire的对象加锁。
代码语言：javascript
复制
		BeginStrongLockAcquire(locallock, fasthashcode);
		if (!FastPathTransferRelationLocks(lockMethodTable, locktag,
										   hashcode))
		{
			// 加锁失败处理，共享内存不足。
		}
	}

3.4 插入/查找主锁表

  1. 本地锁表没有、fastpath不能用（满了或者是强锁），到这里开始操作主锁表。
  2. SetupLockInTable构造 LOCK 和 PROCLOCK结构，完成主锁表、进程锁表插入
代码语言：javascript
复制
	partitionLock = LockHashPartitionLock(hashcode);
	LWLockAcquire(partitionLock, LW_EXCLUSIVE);
	// 构造 LOCK 和 PROCLOCK结构，完成主锁表、进程锁表插入
	proclock = SetupLockInTable(lockMethodTable, MyProc, locktag,
								hashcode, lockmode);
	...
	locallock->proclock = proclock;
	lock = proclock->tag.myLock;
	locallock->lock = lock;

3.5 查到主锁表中的LOCK，先检查申请锁是否与等待队列中的锁不相容

lockMethodTable->conflictTab[lockmode]获得是与申请锁级别冲突的级别，例如申请1级锁：

  • lockmode = 1
  • lockMethodTable->conflictTab[lockmode] = 100000000
  • 1级锁和8级锁冲突。

lockMethodTable->conflictTab[lockmode] & lock->waitMask表示如果当前申请的锁级别（比如我需要1级锁），和别人等在这个锁上的锁级别（别人需要8级锁，在等）不相容，那么当前申请的锁必须进入等待状态（我需要的1级锁必须等锁）。

所以就造成了PG经典的锁排队场景：

  • 第一个人拿1级锁（select长事务）
  • 第二个人等着拿8级锁（vacuum full）
  • 后面再来一个1级锁就必须要排队了，因为强锁来了走3.3把fastpath的共享内存锁表标记了，后来的1级锁都不能在走fastpath了，走不成fastpath只能走主锁表，就会到这里等待。
代码语言：javascript
复制
	if (lockMethodTable->conflictTab[lockmode] & lock->waitMask)
		found_conflict = true;
	else

3.6 再按锁相容表检查确定是否需要等待

代码语言：javascript
复制
		found_conflict = LockCheckConflicts(lockMethodTable, lockmode,
											lock, proclock);

	if (!found_conflict)
	{
		/* No conflict with held or previously requested locks */
		GrantLock(lock, proclock, lockmode);
		GrantLockLocal(locallock, owner);
	}
	else
	{
		...
		WaitOnLock(locallock, owner);
		...
	}

	/*
	 * Lock state is fully up-to-date now; if we error out after this, no
	 * special error cleanup is required.
	 */
	FinishStrongLockAcquire();

	LWLockRelease(partitionLock);
	return LOCKACQUIRE_OK;
}
本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划，分享自作者个人站点/博客。
原始发表：2022-08-11，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除
编程算法

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权，请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体同步曝光计划  ，欢迎热爱写作的你一起参与！

编程算法
评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
登录 后参与评论
推荐阅读
LV.
文章
0
获赞
0
目录
  • 0 总结 & 速查
  • 1 常规锁概念
  • 2 常规锁关键数据结构
    • 2.1 主锁表LockMethodLockHash（共享内存）
      • 2.2 fastpath强锁表FastPathStrongRelationLocks（共享内存）
        • 2.3 本地锁表LockMethodLocalHash（本地内存）
        • 3 加锁流程分析
          • 3.1 查本地锁表
            • 3.2 查fastpath
              • 3.3 外部请求强锁；标记fastpath共享内存冲突表；检查fastpath，如果存在需要换出到主锁表
                • 3.4 插入/查找主锁表
                  • 3.5 查到主锁表中的LOCK，先检查申请锁是否与等待队列中的锁不相容
                    • 3.6 再按锁相容表检查确定是否需要等待
                    领券

                    腾讯云开发者

                    扫码关注腾讯云开发者

                    扫码关注腾讯云开发者

                    领取腾讯云代金券

                    热门产品

                    热门推荐

                    更多推荐

                    Copyright © 2013 - 2024 Tencent Cloud. All Rights Reserved. 腾讯云 版权所有 

                    深圳市腾讯计算机系统有限公司 ICP备案/许可证号：粤B2-20090059 深公网安备号 44030502008569

                    腾讯云计算（北京）有限责任公司 京ICP证150476号 |  京ICP备11018762号 | 京公网安备号11010802020287

                    问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档

                    Copyright © 2013 - 2024 Tencent Cloud.

                    All Rights Reserved. 腾讯云 版权所有

                    登录 后参与评论