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[数据库]Sqlite学习笔记(五)SQLite封锁机制


概述

     SQLite虽然是一个轻量的嵌入式数据库,但这并不影响它支持事务。所谓支持事务,即需要在并发环境下,保持事务的ACID特性。事务的原子性,隔离性都需要通过并发控制来保证。那么Sqlite的并发控制是怎样的,如何实现,在这里跟大家分享下我的理解。

     SQLite是一个文件数据库,所有的数据都在一个db文件中,对于wal模式,还包含wal索引文件和wal日志文件。SQlite支持库级并发,即允许多个读事务同时运行,同一时刻最多只有一个写事务,读写冲突,相对于传统的DBMS支持表级,行级甚至MVCC,SQLite的库级并发确实显得比较寒碜。但是锁粒度越细,意味着维护锁的成本越高,系统也会越复杂,因此SQLite的封锁机制要简单很多,对资源的消耗也非常少。SQLite 3.7版本后,对并发控制做了优化,推出了WAL日志模式,可以实现读写并发,但同一个时刻仍然只能有一个写事务。由于SQLite的实现方式,SQLite只支持两种隔离级别,串行化和读未提交。读未提交,就是读全程不上锁;串行化在事务开启时上读锁,上锁和释放锁同样遵守两阶段锁协议,在事务提交或回滚时才释放锁。

文件锁

     要说清楚SQLite锁实现机制,首先要了解文件锁,因为SQLite所有锁实现都是基于文件锁。对于Linux系统,文件锁主要包含两类,协同锁和强制锁,协同锁类似于互斥量,需要参与者都遵守游戏规则,在操作文件前,都先上锁,而强制锁由OS内核强制实行。协同锁根据锁粒度分为文件级别和范围级别。锁文件是最简单的对文件加锁的方法,每个需要加锁的数据文件都有一个锁文件(lock file)。当锁文件存在时,就认为该数据文件已经被加锁,别的进程不应该访问。当锁不存在,进程就可以创建一个锁文件,然后访问相应的数据文件。只要创建锁的过程是原子的,就能保证某一时刻只有一个进程拥有该锁,这种方法保证某一时刻只有一个进程访问文件。文件锁的弊端显而易见,并发粒度太低。范围锁相对于文件锁,可以锁文件的一部分内容,并且有读锁和写锁。对于同一部分内容,读锁可以共存,读锁和写锁互斥。POSIX标准提供接口fcntl()来实现。

锁类型   

       SQLite中的锁正是利用了范围锁来实现并发控制的目的。SQLite中主要包含了4种锁:共享锁(SHARED_LOCK)、保留锁(RESERVED_LOCK)、未决锁(PENDING_LOCK)和排它锁(EXCLUSIVE_LOCK),这4种锁定义了3个区域,其中共享锁和排它锁占用文件相同的区域。具体而言,SQLite定义了文件的以下区域为锁文件区域,由于fcntl可以对不存在的文件区域加锁,因此 PENDING_BYTE定位在区域1G的地方,即使DB文件没这么大也不影响。三种类型的锁,分别在1G,1G+1,1G+2的偏移处,之所以SHARED_SIZE长度是510,原因在于windows环境下,LockFile()加锁区域不能重叠(Linux没有这种问题),对于同一个字节上锁会影响并发,因此设置了一个范围,对SHARED_FIRST—SHARED_FIRST+ SHARED_SIZE范围内的随机数进行加锁,这样可以减少冲突,保证高效的读取文件。具体锁类别和说明参见表1 

锁类别

字节范围

说明

PENDING_BYTE

0x40000000

一种过渡锁,读事务获取读锁,写事务获取写锁前,都需要获取该锁。

RESERVED_BYTE

0x40000001

表示线程要开始写操作,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。

SHARED_LOCK

0x40000002-0x40000200

共享锁,开启事务时,都需要获取该锁

EXCLUSIVE_LOCK

0x40000002-0x40000200

排它锁

                                                       表1

      从各个锁的作用来看,不免会疑问,为啥要加上RESERVED_LOCK和PENDING_LOCK两种类型,直接通过共享锁和排它锁不就可以达到读读共享,读写互斥的目的了吗。这里引入这Reserved锁的目的是为了提高并发。由于SQLite只有库级排斥锁(EXCLUSIVELOCK),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。Pending锁的作用主要是为了防止写饿死的情况,写事务获取Pending锁后,新的读事务无法再进来,然后再加EXCLUSIVE锁,这样写事务获取锁的几率大大提高,读写事务的流程如下表2,状态变迁图如图1。

类型

操作

锁信息

说明

读事务

begin

 

不持有锁

select c1 from user where id=1

Lock: Pending(Read)

Lock:Shared(Read)

Unlock:Pending

获取Shared读锁前,需要先获取Pending共享锁,

通过这种方式与写事务互斥。

commit

UnLock:Shared

 

写事务

begin

 

 

Update c1=c1+1 where id=1

Lock: Pending(Read)

Lock:Shared

Unlock:Pending

Lock:Reserved(Write)

先获取Shared读锁,然后获取Reserved的排它锁,阻止其它写事务

commit

Lock:Pending(Write)

Lock:Exclusive(Write)

Unlock: Pending

Unlock: Exclusive(Write)

获取Pending的排它锁,阻止新的读事务,最后上排它锁,阻止所有读事务,读写不能并发

Pending锁方式好处是,减少写饿死的几率。

                                                       表2

 

                                         图1

Wal锁类型

      引入WAL机制后,SQLite开始支持读写并发。WAL模式下,写事务不需要操作DB文件,只需要操作WAL日志文件,并且以append方式追加;读事务读取DB文件和已提交事务的WAL日志,DB文件和WAL日志文件分别有自己的锁,不冲突,因此读写可以并发。WAL日志锁实质是锁wal-index文件的区域,根据不同的锁类型,将wal-index文件的不同区域划定义成不同的锁,主要有读锁,写锁,检查点锁,具体如表3

锁类别

字节范围

说明

读事务(WAL)

begin

 

 

select c1 from user where id=1

DB文件:

Lock: Pending(Read)

Lock:Shared

Unlock:Pending

WAL文件:

Lock:WAL-READ-LOCK(Read)

除了获取DB文件锁,还需要获取WAL锁,得到最新提交事务的位点。

若有事务再作检查点,需要重试多次。

commit

Unlock:SHARED-READ-LOCK

Unlock:Shared

 

写事务(WAL)

begin

 

 

Update c1=c1+1 where id=1

DB文件:

Lock: Pending-Read

Lock:Shared(Read)

Unlock:Pending

WAL文件:

Lock:SHARED-READ-LOCK[0]

Lock:EXCLUSIVE-WRITE-LOCK

通过

EXCLUSIVE-WRITE-LOCK控制写写并发

由于不操作DB文件,因此不存在读写冲突,读写可以并发。

commit

WAL文件:

Lock:SHARED-READ-LOCK

Unlock:SHARED-READ-LOCK

Unlock: EXCLUSIVE-WRITE-LOCK

 

DB文件:

Unlock:Shared

获取SHARED-READ-LOCK目的是为了获取最新提交日志的位点

检查点

操作

(WAL)

 

 

WAL文件:

Lock:EXCLUSIVE-CKPT-LOCK

Lock:EXCLUSIVE-WRITE-LOCK

UnLock:EXCLUSIVE-WRITE-LOCK

UnLock:EXCLUSIVE-CKPT-LOCK

EXCLUSIVE-CKPT-LOCK
保证只有一个写事务做检查点;

EXCLUSIVE-WRITE-LOCK阻止读事务。

                                                  表3

调试

     SQLite通过几个宏定义可以打印语句执行的锁信息,方便大家了解语句执行中加了哪些锁,什么时候加的,什么时候释放的,以及如何处理锁冲突。具体的宏包括SQLITE_LOCK_TRACE,SQLITE_FORCE_OS_TRACE,和SQLITE_DEBUG,具体可以在代码中查看宏定义的注释。

gcc sqlite3.c -g -lpthread -ldl -fPIC -shared -DSQLITE_TEST -DSQLITE_DEBUG -DSQLITE_LOCK_TRACE -DSQLITE_FORCE_OS_TRACE -o libsqlite3.so

参考文档

http://my.oschina.net/u/587236/blog/129022

http://www.cnblogs.com/hustcat/archive/2009/03/01/1400757.html