InnoDB 的等待图（Wait-for Graph）的原理详解

        InnoDB 中的锁机制通过图结构（等待图，Wait-for Graph）来管理事务的依赖关系，特别是在多个事务之间可能出现死锁时。这种机制通过监控事务之间的等待情况，能够及时检测并解决死锁问题。等待图在数据库系统中是用于检测死锁的一种常见结构。在 InnoDB 中，每个事务会因为等待某些锁而形成依赖关系，等待图用于表示这种事务之间的等待和依赖。

接下来，我们详细介绍等待图的底层原理及其在 InnoDB 源代码中的实现。

一、等待图的概念

        等待图是一个有向图，图中的每个节点表示一个事务，边表示事务之间的等待关系。如果事务 A 正在等待事务 B 释放某个资源（如行锁、表锁等），就会在等待图中从 A 到 B 画一条有向边。等待图的核心作用是帮助 InnoDB 检测死锁。

• 事务节点：图中的每一个节点代表一个事务。
• 有向边：当一个事务因为等待另一个事务释放某个锁而进入等待状态时，在图中创建一条有向边。

        死锁发生时，等待图中会形成一个循环，即两个或多个事务相互等待，彼此形成依赖。这种情况下，InnoDB 会根据检测到的循环选择其中一个事务进行回滚，从而打破死锁。

二、等待图的工作原理

1. 事务加锁：当一个事务请求某个锁时，如果该锁已经被其他事务持有，当前事务进入等待状态，并在等待图中添加一条从该事务指向持锁事务的有向边。

2. 死锁检测：InnoDB 会定期检查等待图，检测是否存在循环依赖。如果检测到循环，InnoDB 会认定发生了死锁。

3. 死锁处理：一旦检测到死锁，InnoDB 会选择其中一个事务进行回滚，从而解除其他事务的等待状态，打破死锁循环。

三、等待图的源代码实现

InnoDB 中与等待图相关的核心代码位于 lock0lock.cc 文件中，特别是死锁检测和解决机制。

1. 锁的加锁与等待

        当事务请求锁时，InnoDB 首先检查该锁是否可用。如果锁被其他事务持有，则当前事务必须等待。这时，InnoDB 会在等待图中添加一条依赖关系，并将事务标记为等待状态。

bool lock_rec_lock(
    ulint           mode,   /* in: LOCK_S, LOCK_X */
    const buf_block_t* block,   /* in: buffer block of the rec */
    const rec_t*     rec,    /* in: record */
    dict_index_t*    index,  /* in: index of the record */
    que_thr_t*       thr)    /* in: query thread of the requesting transaction */
{
    ...
    if (lock_is_blocked(lock, trx)) {
        /* If lock is blocked, create a waiting relationship */
        lock_wait_suspend(lock, trx, thr);
    }
    ...
}

        在 lock_rec_lock() 函数中，当 InnoDB 检测到事务 trx 的锁请求无法立即满足时，会调用 lock_wait_suspend() 函数将事务设置为等待状态，并记录当前事务的等待关系。

2. 等待图中的死锁检测

        等待图的死锁检测是在事务进入等待状态时进行的。InnoDB 会调用 lock_deadlock_check_and_resolve() 函数来检查是否存在循环依赖。这个函数会遍历等待图中的所有事务，检查是否有事务形成了循环。

bool lock_deadlock_check_and_resolve(
    trx_t* trx)   /* in: transaction which is waiting */
{
    trx_t* checked_trx;
    /* Start from the transaction requesting the lock */
    for (checked_trx = trx; checked_trx != NULL; checked_trx = checked_trx->wait_for_trx) {
        /* If the transaction is found in its own wait-for chain, a deadlock is detected */
        if (checked_trx == trx) {
            return TRUE; /* Deadlock found */
        }
    }
    return FALSE; /* No deadlock */
}

        在 lock_deadlock_check_and_resolve() 中，InnoDB 遍历每个等待事务的依赖链（即 wait_for_trx），查看当前事务是否在某个依赖链中已经出现过。如果事务出现在自己的依赖链中，则说明存在循环依赖，发生了死锁。

3. 解决死锁

        一旦检测到死锁，InnoDB 会选择一个事务进行回滚来解除死锁。通常，InnoDB 会选择持有最少资源的事务来回滚，尽量减少对系统其他事务的影响。

回滚事务的代码位于 trx0trx.cc 文件中的 trx_rockback_for_deadlock() 函数中：

void trx_rollback_for_deadlock(
    trx_t* trx)   /* in: transaction to roll back */
{
    /* Rollback the entire transaction */
    trx_rollback(trx);
    /* Notify that deadlock resolution has been performed */
    trx->deadlock_found = TRUE;
}

        trx_rockback_for_deadlock() 函数负责对发生死锁的事务进行回滚。它会调用 trx_rockback() 函数来撤销该事务已经执行的操作，并释放所有持有的锁，从而解除对其他事务的阻塞。

4. 等待图的维护

        InnoDB 使用一个全局的锁表来维护事务之间的等待关系。每当一个事务进入等待状态时，InnoDB 会在锁表中更新相应的记录，建立事务之间的等待关系。锁表中的每个锁记录都会指向当前持有该锁的事务，以及所有等待该锁的事务。

• 锁表的结构：InnoDB 使用 lock_t 结构体来表示一个锁记录，lock_t 结构体中包含指向当前持有锁的事务以及等待该锁的事务列表。

struct lock_t {
    trx_t*          trx;        /* the transaction which owns the lock */
    trx_t*          wait_for_trx; /* transaction waiting for this lock */
    ...
};

• 锁表的更新：当事务请求锁时，如果锁已经被其他事务持有，InnoDB 会将当前事务添加到 wait_for_trx 中，建立等待关系。

四、等待图的优化与性能影响

        等待图及其死锁检测机制对数据库系统的性能有一定的影响，特别是在高并发环境下。如果等待图过于复杂，或者事务之间的依赖关系过于频繁，死锁检测的开销可能会显著增加。

为此，InnoDB 对死锁检测机制进行了一些优化：

1. 自适应死锁检测：InnoDB 不是每次事务请求锁时都进行死锁检测，而是根据系统的当前负载和锁请求的频率自适应地执行死锁检测，以减少不必要的开销。

2. 最小回滚原则：InnoDB 会选择最小化回滚成本的事务进行回滚。回滚成本较低的事务（例如还未执行太多操作的事务）更有可能被选择来打破死锁。

五、等待图的优缺点

优点：

• 等待图能够及时有效地检测死锁，从而避免系统进入僵局状态。
• InnoDB 的死锁检测机制能够自动解决死锁问题，无需管理员干预。

缺点：

• 等待图的维护和死锁检测会带来额外的开销，特别是在高并发环境下，频繁的事务等待和锁竞争可能增加死锁检测的负担。
• 死锁解决通常通过回滚事务实现，这会影响回滚事务所操作的数据一致性，并带来额外的性能开销。

六、总结

        InnoDB 的等待图（Wait-for Graph）通过图结构记录了事务之间的锁依赖关系，并通过检测图中的循环依赖来发现死锁。在死锁检测到之后，InnoDB 会通过回滚其中一个事务来解决死锁。等待图的实现依赖于全局锁表，InnoDB 通过这种机制保证了事务的顺利执行，并在高并发场景下能够自动处理死锁问题。

        等待图和死锁检测机制在 InnoDB 源代码中的实现是相对复杂的，但它们对于保证事务系统的可靠性和高并发性至关重要。通过详细的底层代码分析，我们可以更好地理解 InnoDB 如何在内部管理事务之间的锁依赖关系，从而确保系统的稳定性和数据一致性。