自己动手写数据库:并发管理组件lock_table的原理和实现

在前面章节，我们描述的并发控制的一些基本原理。其中一个重要原则就是“序列化”，也就数据库引擎要对交易提交的请求进行调度，调度的结果要使得每个交易就好像独占了引擎那样。要实现这样的效果就必须进行相应的加锁。但是加锁必然会降低高并发的效率，因此改进办法是实现两种锁，一种是互斥锁，他用于保证区块写入的安全性，一个区块加锁后其他任何操作，无论是读还是写，都不能执行，必须要等到互斥锁释放。另一种是共享锁，他运行多个读操作同时进行，但是不允许执行写操作，必须等到共享锁全部释放后才可以。

本节的目的就在于如何实现两种锁机制。尽管go语言提供了很多并发机制，他也有共享锁和互斥锁，但还不足以满足一个数据库的并发要求，这也是我们需要进行相应设计的原因。我们所设计的锁机制作用的对象是区块，因此我们需要一种对应机制，不同的区块要对应不同的锁，因此我们要实现一个类似map的对象，他也称为LockTable。

他要实现的目的有，一，让不同的区块对应不同的锁，因此引擎在读写区块1时，不影响对区块2的操作。第二，他要有超时回退机制，当引擎通过他读写某个区块，发现长时间得不到操作所需要的锁时，这个时候极有可能发生了死锁，因此他要能检测此种情况并实现操作的回滚。下面我们看看代码的实现，首先在tx模块中添加新文件命名为lock_table.go，然后先输入如下代码：

package tx

import (
	"errors"
	fm "file_manager"
	"sync"
	"time"
)

const (
	MAX_WAITING_TIME = 3 //3用于测试，在正式使用时设置为10
)

func NewLockTable() *LockTable {
   
   
	/*
		如果给定blk对应的值为-1，表明有互斥锁,如果大于0表明有相应数量的共享锁加在对应区块上，
		如果是0则表示没有锁
	*/
	lock_table := &LockTable{
   
   
		lock_map:    make(map[*fm.BlockId]int64),
		notify_chan: make(map[*fm.BlockId]chan struct{
   
   }),
		notify_wg:   make(map[*fm.BlockId]*sync.WaitGroup),
	}

	return lock_table
}

接下来我们要实现这样的功能，假设有3个线程编号分别为1,2,3，第一个线程要写入区块1，第二，三个线程要读取区块1，如果线程1先获得了互斥锁，那么线程2,3就必须挂起，等待线程1释放锁。如果在时间MAX_WAITING_TIME范围内线程1完成操作释放了互斥锁，那么线程2,3就能被唤醒，他们将获得共享锁，然后同时读取区块1的数据。如果在MAX_WAITING_TIME所表达的时间范围内依然无法读取区块1，那么他们就需要唤醒，然后放弃读取操作。

确切的说这里需要实现WaitGivenTimeOut功能，当调用这个函数时，对应的线程会在给定时间段内挂起，一旦超时后才被唤醒。同时我们还需要实现NotifyAll接口，一旦某个线程调用这个函数后，所有因为执行WaitGivenTimeOut而被挂起的线程都要被唤醒，然后往下执行。

如果了解go语言的同学可能知道，sync包中有个Cond类，他的Wait接口能实现调用线程挂起功能，同时他对应的Broadcast能实现唤醒所有因为调用Wait而挂起的线程。但是问题在于Wait接口不能实现挂起特定时间，因此一旦调用该接口后，必须等待其他线程调用Signal接口或是Broadcast接口才能实现唤醒。

由此我们要自己实现WaitGivenTimeOut对应的功能，相关代码如下：

type LockTable struct {
   
   
	lock_map    map[*fm.BlockId]int64           //将锁和区块对应起来
	notify_chan map[*fm.BlockId]chan struct{
   
   }   //用于实现超时回退的管道
	notify_wg   map[*fm.BlockId]*sync.WaitGroup //用于实现唤醒通知
	method_lock sync.Mutex                      //实现方法调用的线程安全，相当于java的synchronize关键字
}

func (l *LockTable) waitGivenTimeOut(blk *fm.BlockId) {
   
   
	wg, ok := l.notify_wg[blk]
	if !ok {
   
   
		var new_wg sync.WaitGroup
		l.notify_wg[blk] = &new_wg
		wg = &new_wg
	}
	wg.Add