SQLite入门与分析(五)---Page Cache之并发控制

写在前面:本节主要谈谈SQLite的锁机制，SQLite是基于锁来实现并发控制的，所以本节的内容实际上是属于事务处理的，但是SQLite的锁机制实现非常的简单而巧妙，所以在这里单独讨论一下。如果真正理解了它，对整个事务的实现也就理解了。而要真正理解SQLite的锁机制，最好方法就是阅读SQLite的源码，所以在阅读本文时，最好能结合源码。SQLite的锁机制很巧妙，尽管在本节中的源码中，我写了很多注释，也是我个人在研究时的一点心得，但是我发现仅仅用言语，似乎不能把问题说清楚，只有通过体会，才能真正理解SQLite的锁机制。好了，下面进入正题。

SQLite的并发控制机制是采用加锁的方式，实现非常简单，但也非常的巧妙，本节将对其进行一个详细的解剖。请仔细阅读下图，它可以帮助更好的理解下面的内容。

1、RESERVED LOCK

RESERVED锁意味着进程将要对数据库进行写操作。某一时刻只能有一个RESERVED Lock，但是RESERVED锁和SHARED锁可以共存，而且可以对数据库加新的SHARED锁。 为什么要用RESERVED锁？ 主要是出于并发性的考虑。由于SQLite只有库级排斥锁（EXCLUSIVE LOCK），如果写事务一开始就上EXCLUSIVE锁，然后再进行实际的数据更新，写磁盘操作，这会使得并发性大大降低。而SQLite一旦得到数据库的RESERVED锁，就可以对缓存中的数据进行修改，而与此同时，其它进程可以继续进行读操作。直到真正需要写磁盘时才对数据库加EXCLUSIVE锁。

2、PENDING LOCK

PENDING LOCK意味着进程已经完成缓存中的数据修改，并想立即将更新写入磁盘。它将等待此时已经存在的读锁事务完成，但是不允许对数据库加新的SHARED LOCK(这与RESERVED LOCK相区别)。 为什么要有PENDING LOCK? 主要是为了防止出现写饿死的情况。由于写事务先要获取RESERVED LOCK，所以可能一直产生新的SHARED LOCK，使得写事务发生饿死的情况。

3、加锁机制的具体实现

SQLite在pager层获取锁的函数如下：

//获取一个文件的锁,如果忙则重复该操作,
//直到busy 回调用函数返回flase,或者成功获得锁
static int pager_wait_on_lock(Pager *pPager, int locktype){
  int rc;
  assert( PAGER_SHARED==SHARED_LOCK );
  assert( PAGER_RESERVED==RESERVED_LOCK );
  assert( PAGER_EXCLUSIVE==EXCLUSIVE_LOCK );
  if( pPager->state>=locktype ){
    rc = SQLITE_OK;
  }else{
   //重复直到获得锁
    do {
      rc = sqlite3OsLock(pPager->fd, locktype);
    }while( rc==SQLITE_BUSY && sqlite3InvokeBusyHandler(pPager->pBusyHandler) );

    if( rc==SQLITE_OK ){

        //设置pager的状态
      pPager->state = locktype;
    }
  }
  return rc;
}

Windows下具体的实现如下：

static int winLock(OsFile *id, int locktype){
  int rc = SQLITE_OK;    /* Return code from subroutines */
  int res = 1;           /* Result of a windows lock call */
  int newLocktype;       /* Set id->locktype to this value before exiting */
  int gotPendingLock = 0;/* True if we acquired a PENDING lock this time */
  winFile *pFile = (winFile*)id;

  assert( pFile!=0 );
  TRACE5("LOCK %d %d was %d(%d)\n",
          pFile->h, locktype, pFile->locktype, pFile->sharedLockByte);

  /* If there is already a lock of this type or more restrictive on the
  ** OsFile, do nothing. Don't use the end_lock: exit path, as
  ** sqlite3OsEnterMutex() hasn't been called yet.
  */
  //当前的锁>=locktype,则返回
  if( pFile->locktype>=locktype ){
    return SQLITE_OK;
  }

  /* Make sure the locking sequence is correct
  */
  assert( pFile->locktype!=NO_LOCK || locktype==SHARED_LOCK );
  assert( locktype!=PENDING_LOCK );
  assert( locktype!=RESERVED_LOCK || pFile->locktype==SHARED_LOCK );

  /* Lock the PENDING_LOCK byte if we need to acquire a PENDING lock or
  ** a SHARED lock.  If we are acquiring a SHARED lock, the acquisition of
  ** the PENDING_LOCK byte is temporary.
  */
  newLocktype = pFile->locktype;
  /*两种情况: (1)如果当前文件处于无锁状态(获取读锁---读事务
  **和写事务在最初阶段都要经历的阶段),
  **(2)处于RESERVED_LOCK，且请求的锁为EXCLUSIVE_LOCK(写事务)
  **则对执行加PENDING_LOCK
  */
  /////////////////////(1)///////////////////
  if( pFile->locktype==NO_LOCK
   || (locktype==EXCLUSIVE_LOCK && pFile->locktype==RESERVED_LOCK)
  ){
    int cnt = 3;
    //加pending锁
    while( cnt-->0 && (res = LockFile(pFile->h, PENDING_BYTE, 0, 1, 0))==0 ){
      /* Try 3 times to get the pending lock.  The pending lock might be
      ** held by another reader process who will release it momentarily.
      */
      TRACE2("could not get a PENDING lock. cnt=%d\n", cnt);
      Sleep(1);
    }
    //设置为gotPendingLock为1,使和在后面要释放PENDING锁
    gotPendingLock = res;
  }

  /* Acquire a shared lock
  */
  /*获取shared lock
  **此时,事务应该持有PENDING锁,而PENDING锁作为事务从UNLOCKED到
  **SHARED_LOCKED的一个过渡,所以事务由PENDING->SHARED
  **此时,实际上锁处于两个状态:PENDING和SHARED,
  **直到后面释放PENDING锁后,才真正处于SHARED状态
  */
  ////////////////(2)/////////////////////////////////////
  if( locktype==SHARED_LOCK && res ){
    assert( pFile->locktype==NO_LOCK );
    res = getReadLock(pFile);
    if( res ){
      newLocktype = SHARED_LOCK;
    }
  }

  /* Acquire a RESERVED lock
  */
  /*获取RESERVED
  **此时事务持有SHARED_LOCK,变化过程为SHARED->RESERVED。
  **RESERVED锁的作用就是为了提高系统的并发性能
  */
  ////////////////////////(3)/////////////////////////////////
  if( locktype==RESERVED_LOCK && res ){
    assert( pFile->locktype==SHARED_LOCK );
    //加RESERVED锁
    res = LockFile(pFile->h, RESERVED_BYTE, 0, 1, 0);
    if( res ){
      newLocktype = RESERVED_LOCK;
    }
  }

  /* Acquire a PENDING lock
  */
  /*获取PENDING锁
  **此时事务持有RESERVED_LOCK,且事务申请EXCLUSIVE_LOCK
  **变化过程为:RESERVED->PENDING。
  **PENDING状态只是唯一的作用就是防止写饿死.
  **读事务不会执行该代码,但是写事务会执行该代码,
  **执行该代码后gotPendingLock设为0，后面就不会释放PENDING锁。
  */
  //////////////////////////////(4)////////////////////////////////
  if( locktype==EXCLUSIVE_LOCK && res ){
      //这里没有实际的加锁操作，只是把锁的状态改为PENDING状态
    newLocktype = PENDING_LOCK;
    //设置了gotPendingLock,后面就不会释放PENDING锁了,
    //相当于加了PENDING锁,实际上是在开始处加的PENDING锁
    gotPendingLock = 0;
  }

  /* Acquire an EXCLUSIVE lock
  */
  /*获取EXCLUSIVE锁
  **当一个事务执行该代码时,它应该满足以下条件:
  **(1)锁的状态为:PENDING (2)是一个写事务
  **变化过程:PENDING->EXCLUSIVE
  */
  /////////////////////////(5)///////////////////////////////////////////
  if( locktype==EXCLUSIVE_LOCK && res ){
    assert( pFile->locktype>=SHARED_LOCK );
    res = unlockReadLock(pFile);
    TRACE2("unreadlock = %d\n", res);
    res = LockFile(pFile->h, SHARED_FIRST, 0, SHARED_SIZE, 0);
    if( res ){
      newLocktype = EXCLUSIVE_LOCK;
    }else{
      TRACE2("error-code = %d\n", GetLastError());
    }
  }

  /* If we are holding a PENDING lock that ought to be released, then
  ** release it now.
  */
  /*此时事务在第2步中获得PENDING锁,它将申请SHARED_LOCK(第3步,和图形相对照),
  **而在之前它已经获取了PENDING锁,
  **所以在这里它需要释放PENDING锁,此时锁的变化为:PENDING->SHARED
  */
  //////////////////////////(6)/////////////////////////////////////
  if( gotPendingLock && locktype==SHARED_LOCK ){
    UnlockFile(pFile->h, PENDING_BYTE, 0, 1, 0);
  }

  /* Update the state of the lock has held in the file descriptor then
  ** return the appropriate result code.
  */
  if( res ){
    rc = SQLITE_OK;
  }else{
    TRACE4("LOCK FAILED %d trying for %d but got %d\n", pFile->h,
           locktype, newLocktype);
    rc = SQLITE_BUSY;
  }
  //在这里设置文件锁的状态
  pFile->locktype = newLocktype;
  return rc;
}

在几个关键的部位标记数字。

(I)对于一个读事务会的完整经过： 语句序列：（1）——>（2）——>（6） 相应的状态真正的变化过程为：UNLOCKED→PENDING(1)→PENDING、SHARED(2)→SHARED（6）→UNLOCKED (II)对于一个写事务完整经过： 第一阶段： 语句序列：（1）——>（2）——>（6） 状态变化：UNLOCKED→PENDING(1)→PENDING、SHARED(2)→SHARED(6)。此时事务获得SHARED LOCK。 第二个阶段： 语句序列：（3） 此时事务获得RESERVED LOCK。 第三个阶段： 事务执行修改操作。 第四个阶段： 语句序列：（1）——>（4）——>（5） 状态变化为： RESERVED→ RESERVED 、PENDING(1)→PENDING（4）→EXCLUSIVE（5）。此时事务获得排斥锁，就可以进行写磁盘操作了。

注：在上面的过程中，由于（1）的执行，使得某些时刻SQLite处于两种状态，但它持续的时间很短，从某种程度上来说可以忽略，但是为了把问题说清楚，在这里描述了这一微妙而巧妙的过程。

4、SQLite的死锁问题

SQLite的加锁机制会不会出现死锁? 这是一个很有意思的问题，对于任何采取加锁作为并发控制机制的DBMS都得考虑这个问题。有两种方式处理死锁问题：（1）死锁预防(deadlock prevention)（2）死锁检测(deadlock detection)与死锁恢复(deadlock recovery)。SQLite采取了第一种方式，如果一个事务不能获取锁，它会重试有限次（这个重试次数可以由应用程序运行预先设置，默认为1次）——这实际上是基本锁超时的机制。如果还是不能获取锁，SQLite返回SQLITE_BUSY错误给应用程序，应用程序此时应该中断，之后再重试；或者中止当前事务。虽然基于锁超时的机制简单，容易实现，但是它的缺点也是明显的——资源浪费。

5、事务类型(Transaction Types)

既然SQLite采取了这种机制，所以应用程序得处理SQLITE_BUSY 错误，先来看一个会产生SQLITE_BUSY错误的例子： 所以应用程序应该尽量避免产生死锁，那么应用程序如何做可以避免死锁的产生呢？ 答案就是为你的程序选择正确合适的事务类型。 SQLite有三种不同的事务类型，这不同于锁的状态。事务可以从DEFERRED，IMMEDIATE或者EXCLUSIVE，一个事务的类型在BEGIN命令中指定： BEGIN [ DEFERRED | IMMEDIATE | EXCLUSIVE ] TRANSACTION； 一个deferred事务不获取任何锁，直到它需要锁的时候，而且BEGIN语句本身也不会做什么事情——它开始于UNLOCK状态；默认情况下是这样的。如果仅仅用BEGIN开始一个事务，那么事务就是DEFERRED的，同时它不会获取任何锁，当对数据库进行第一次读操作时，它会获取SHARED LOCK；同样，当进行第一次写操作时，它会获取RESERVED LOCK。 由BEGIN开始的Immediate事务会试着获取RESERVED LOCK。如果成功，BEGIN IMMEDIATE保证没有别的连接可以写数据库。但是，别的连接可以对数据库进行读操作，但是RESERVED LOCK会阻止其它的连接BEGIN IMMEDIATE或者BEGIN EXCLUSIVE命令，SQLite会返回SQLITE_BUSY错误。这时你就可以对数据库进行修改操作，但是你不能提交，当你COMMIT时，会返回SQLITE_BUSY错误，这意味着还有其它的读事务没有完成，得等它们执行完后才能提交事务。 Exclusive事务会试着获取对数据库的EXCLUSIVE锁。这与IMMEDIATE类似，但是一旦成功，EXCLUSIVE事务保证没有其它的连接，所以就可对数据库进行读写操作了。 上面那个例子的问题在于两个连接最终都想写数据库，但是他们都没有放弃各自原来的锁，最终，shared 锁导致了问题的出现。如果两个连接都以BEGIN IMMEDIATE开始事务，那么死锁就不会发生。在这种情况下，在同一时刻只能有一个连接进入BEGIN IMMEDIATE，其它的连接就得等待。BEGIN IMMEDIATE和BEGIN EXCLUSIVE通常被写事务使用。就像同步机制一样，它防止了死锁的产生。 基本的准则是：如果你在使用的数据库没有其它的连接，用BEGIN就足够了。但是，如果你使用的数据库在其它的连接也要对数据库进行写操作，就得使用BEGIN IMMEDIATE或BEGIN EXCLUSIVE开始你的事务。