Lecture #17：Two-Phase Locking

事务锁

事务的锁通常分为两类：

• 共享锁：共享锁就是允许其他线程共同持有共享锁， 此时这些线程不会被锁住。但是如果有人先一步持有排他锁， 那么再加共享锁就会锁住。
• 排他锁：排他锁就是一次只有一个线程能够持有该锁， 持有锁期间其他的线程获取锁都会获取失败并锁住。

共享锁和排他锁是事务通常使用的两种锁， 为了提高效率， 防止频繁的加锁解锁， 事务也有一些分层级锁， 这些后面会提到。

在事务中经常使用一个全局的锁管理器来管理所有资源的锁。 如果一个事务想要访问某个资源， 不再向资源发起请求锁， 而是直接向锁管理器发起锁申请。 如果锁已经被占用， 锁管理器会将这个事务加入到这个锁的等待队列当中， 只有当这个事务是等待队列的队头，并且锁没有被占用时，才能被唤醒。 最后就是锁管理器由于会被多个事务同时访问， 所以锁管理器自身要有锁存器， 事务访问锁管理器，先获取锁存器， 再申请资源锁。

下面是一个例子：

• 首先是T1获取lA, 然后写入A。 解锁lA。
• 然后T2获取了lA， 写入了A， 解锁了lA。
• 此时T1再获取lA， 想要读取A, 它此时读取的时T2写入的A，而不是自己写入到A。发生错误， 这就是不可重复读。

两阶段锁协议， 就可以用来解决上面的不可重复读的问题， 保证事务执行的序列化。

两阶段锁

两阶段锁规定整个事务在生命周期分为两个阶段，生长阶段和收缩阶段。

• 当事务启动时进入生长阶段， 这个阶段只能获取锁。
• 从事务释放第一个锁开始进入收缩阶段， 从这个阶段开始只能释放锁。

执行两阶段锁之后， 重新看上面的例子， 就有T1获取到lA， 则一直持有lA直到最后一次R(A)后才释放锁， 此时不会有不可重复读。

但是两阶段锁需要进行级联中止防止出现问题， 级联中止即一个事务回滚， 连带着另一些事务也一起回滚。 这个的原因是因为出现下面一种情况：

• T1获取lA, lB， 然后写A， 释放lA
• 然后T2获取lA， 读取A。
• 最后如果T1回滚， 那么就是说T1所做的修改都应该变回原样，这些修改不应该被看到， 但是T2已经看到了， 所以就需要把T2也一同回滚。

严格与强两阶段锁

解决级联中止的方式时使用严格与强两阶段锁。 其中强两阶段锁是在收缩阶段只释放读锁， 写锁不会被释放。 这样T1做过修改的数据其他事务读取不到， T1回滚，其他事务也不用回滚。

严格就是收缩阶段不释放锁， 统一在COMMIT的时候将锁全部释放， 显然T1写过和读取过的其他也不能读也不能写， 不需要级联中止。

其中，要确定的是， 对于2PL来说， 它保证了冲突的可串行化， 间接的保证了可串行化， 所以2PL本身就能保证可串行化的隔离级别。 如果只想提供可重复读， 那么就要不使用2PL， 然后使用MVCC快照即可。

死锁处理

死锁处理的方式有两种， 一种是死锁检测， 一种是死锁预防。

• 先说死锁检测， 死锁检测就是维护一个事务的等待图， 比如T1等待T2， T2等待T3， T3等待T4， 然后T4又等待T1. 这个时候就是有循环等待。 后台专门有一个线程检测等待图中的环， 如果发现， 就破坏掉其中一个事务， 破坏循环等待。

• 然后说死锁预防： 死锁预防的思想是让 老事务优先执行， 新事务后执行或者中止。这样保证新事务不会等待老事务， 天然形成了一条有向的等待链。 就比如B+树索引加锁， 所有事务都是从上到下遍历B+树， 从上到下加锁。 所以只会有新事务等待旧事务完成， 不会出现旧事务等待新事务的情况。 但是如果出现从下到上遍历的事务， 那么两头就会冲突， 肯定会发生死锁。

  • 这个的实现方式由两种， 一种是等待-死亡（waited-die) ， 就是如果当前事务比要等待的事务老， 就等待， 如果年轻， 就终止。
  • 第二种方式叫创伤-等待（wound-waited) ， 就是如果当前事务比要等待的事务老，直接终止掉对方事务， 自己执行；如果当前事务要年轻， 那么就等待。

分层级锁(调整锁粒度）

分层级锁就是把锁在逻辑上分层。 比如说一块100份的资源。 这个资源每十份就可以划分一个意向锁。 然后每份资源都可以加一个读写锁。 当一个事务想要获取某个资源， 他可能先获取这个资源所在的哪一份， 在这一份上面加意向锁， 然后再在自己的资源上面加读写锁。 当其他事务也获取到这一份的时候， 就可以直到， 这里有事务在获取这里面的某个资源。

意向锁分为三种：

• 意向共享锁： 告诉其他事务， 有事务在底层使用显示共享锁获取对象。
• 意向独占锁： 告诉其他事务， 有事务在底层使用显示独占锁获取对象。
• 共享意向独占锁： 告诉其他事务， 我想以共享模式占用下面的所有对象， 但是我也想以独占模式更新下面的一些对象。 但是我并没有独占所有的对象。

下面来看一个示例， 来理解这些锁的排斥情况：

• 首先T1想要读取R表， 并且修改某一个元组。 所以他要在R表上加一个共享意向排他锁， 然后给其中的tupleN加写锁， 其他加读锁。
• 然后T2想要读取其中一个元组， 所以他要给R表加一个意向共享锁， 然后读取tupe1。
• 最后T3想要读取所有的元组， 所以他就能直接给R表加共享锁， 不需要加意向共享。 但是共享锁和共享意向排他锁是互斥的，所以要等待（如果有死锁预防，使用死锁预防策略）。