併發控制

在電腦科學,特別是程式設計、作業系統、多處理機和資料庫等領域,併發控制(Concurrency control)是確保及時糾正由併發操作導致的錯誤的一種機制。

資料庫管理系統(DBMS)中的併發控制的任務是確保在多個事務同時存取資料庫中同一資料時不破壞事務的隔離性和統一性以及資料庫的統一性。下面舉例說明併發操作帶來的資料不一致性問題:

現有兩處火車票售票點,同時讀取某一趟列車車票資料庫中車票餘額為 X。兩處售票點同時賣出一張車票,同時修改餘額為 X -1寫回資料庫,這樣就造成了實際賣出兩張火車票而資料庫中的記錄卻只少了一張。 產生這種情況的原因是因為兩個事務讀入同一資料並同時修改,其中一個事務提交的結果破壞了另一個事務提交的結果,導致其資料的修改被丟失,破壞了事務的隔離性。併發控制要解決的就是這類問題。

封鎖時間戳樂觀併發控制(樂觀鎖)和悲觀併發控制(悲觀鎖)是併發控制主要採用的技術手段。

當併發事務同時訪問一個資源時,有可能導致資料不一致,因此需要一種機制來將資料訪問順序化,以保證資料庫資料的一致性。鎖就是其中的一種機制。

在電腦科學中,鎖是在執行多執行緒時用於強行限制資源訪問的同步機制,即用於在併發控制中保證對互斥要求的滿足。

鎖的分類(oracle)

一、按操作劃分,可分為DML鎖DDL鎖

二、按鎖的粒度劃分,可分為表級鎖行級鎖頁級鎖(mysql)

三、按鎖級別劃分,可分為共享鎖排他鎖

四、按加鎖方式劃分,可分為自動鎖顯示鎖

五、按使用方式劃分,可分為樂觀鎖悲觀鎖

DML鎖(data locks,資料鎖),用於保護資料的完整性,其中包括行級鎖(Row Locks (TX鎖))、表級鎖(table lock(TM鎖))。 DDL鎖(dictionary locks,資料字典鎖),用於保護資料庫物件的結構,如表、索引等的結構定義。其中包排他DDL鎖(Exclusive DDL lock)、共享DDL鎖(Share DDL lock)、可中斷解析鎖(Breakable parse locks)

MySQL中的行級鎖,表級鎖,頁級鎖

在電腦科學中,鎖是在執行多執行緒時用於強行限制資源訪問的同步機制,即用於在併發控制中保證對互斥要求的滿足。

行級鎖

行級鎖是Mysql中鎖定粒度最細的一種鎖,表示只針對當前操作的行進行加鎖。行級鎖能大大減少資料庫操作的衝突。其加鎖粒度最小,但加鎖的開銷也最大。行級鎖分為共享鎖排他鎖

特點

開銷大,加鎖慢;會出現死鎖;鎖定粒度最小,發生鎖衝突的概率最低,併發度也最高。

表級鎖

表級鎖是MySQL中鎖定粒度最大的一種鎖,表示對當前操作的整張表加鎖,它實現簡單,資源消耗較少,被大部分MySQL引擎支援。最常使用的MYISAM與INNODB都支援表級鎖定。表級鎖定分為表共享讀鎖共享鎖表獨佔寫鎖排他鎖

特點

開銷小,加鎖快;不會出現死鎖;鎖定粒度大,發出鎖衝突的概率最高,併發度最低。

頁級鎖

頁級鎖是MySQL中鎖定粒度介於行級鎖和表級鎖中間的一種鎖。表級鎖速度快,但衝突多,行級衝突少,但速度慢。所以取了折衷的頁級,一次鎖定相鄰的一組記錄。BDB支援頁級鎖

特點

開銷和加鎖時間界於表鎖和行鎖之間;會出現死鎖;鎖定粒度界於表鎖和行鎖之間,併發度一般

MySQL常用儲存引擎的鎖機制

MyISAM和MEMORY採用表級鎖(table-level locking)

BDB採用頁面鎖(page-level locking)或表級鎖,預設為頁面鎖

InnoDB支援行級鎖(row-level locking)和表級鎖,預設為行級鎖

Innodb中的行鎖與表鎖

前面提到過,在Innodb引擎中既支援行鎖也支援表鎖,那麼什麼時候會鎖住整張表,什麼時候或只鎖住一行呢?

InnoDB行鎖是通過給索引上的索引項加鎖來實現的,這一點MySQL與Oracle不同,後者是通過在資料塊中對相應資料行加鎖來實現的。InnoDB這種行鎖實現特點意味著:只有通過索引條件檢索資料,InnoDB才使用行級鎖,否則,InnoDB將使用表鎖!

在實際應用中,要特別注意InnoDB行鎖的這一特性,不然的話,可能導致大量的鎖衝突,從而影響併發效能。

行級鎖都是基於索引的,如果一條SQL語句用不到索引是不會使用行級鎖的,會使用表級鎖。行級鎖的缺點是:由於需要請求大量的鎖資源,所以速度慢,記憶體消耗大。

行級鎖與死鎖

MyISAM中是不會產生死鎖的,因為MyISAM總是一次性獲得所需的全部鎖,要麼全部滿足,要麼全部等待。而在InnoDB中,鎖是逐步獲得的,就造成了死鎖的可能。

在MySQL中,行級鎖並不是直接鎖記錄,而是鎖索引。索引分為主鍵索引和非主鍵索引兩種,如果一條sql語句操作了主鍵索引,MySQL就會鎖定這條主鍵索引;如果一條語句操作了非主鍵索引,MySQL會先鎖定該非主鍵索引,再鎖定相關的主鍵索引。 在UPDATE、DELETE操作時,MySQL不僅鎖定WHERE條件掃描過的所有索引記錄,而且會鎖定相鄰的鍵值,即所謂的next-key locking。

當兩個事務同時執行,一個鎖住了主鍵索引,在等待其他相關索引。另一個鎖定了非主鍵索引,在等待主鍵索引。這樣就會發生死鎖。

發生死鎖後,InnoDB一般都可以檢測到,並使一個事務釋放鎖回退,另一個獲取鎖完成事務。

有多種方法可以避免死鎖,這裡只介紹常見的三種

1、如果不同程式會併發存取多個表,儘量約定以相同的順序訪問表,可以大大降低死鎖機會。

2、在同一個事務中,儘可能做到一次鎖定所需要的所有資源,減少死鎖產生概率;

3、對於非常容易產生死鎖的業務部分,可以嘗試使用升級鎖定顆粒度,通過表級鎖定來減少死鎖產生的概率;


MySQL中的共享鎖與排他鎖

共享鎖(Share Lock)

共享鎖又稱讀鎖,是讀取操作建立的鎖。其他使用者可以併發讀取資料,但任何事務都不能對資料進行修改(獲取資料上的排他鎖),直到已釋放所有共享鎖。

如果事務T對資料A加上共享鎖後,則其他事務只能對A再加共享鎖,不能加排他鎖。獲准共享鎖的事務只能讀資料,不能修改資料。

用法

SELECT ... LOCK IN SHARE MODE;

在查詢語句後面增加LOCK IN SHARE MODE,Mysql會對查詢結果中的每行都加共享鎖,當沒有其他執行緒對查詢結果集中的任何一行使用排他鎖時,可以成功申請共享鎖,否則會被阻塞。其他執行緒也可以讀取使用了共享鎖的表,而且這些執行緒讀取的是同一個版本的資料。

排他鎖(eXclusive Lock)

排他鎖又稱寫鎖,如果事務T對資料A加上排他鎖後,則其他事務不能再對A加任任何型別的封鎖。獲准排他鎖的事務既能讀資料,又能修改資料。

用法

SELECT ... FOR UPDATE;

在查詢語句後面增加FOR UPDATE,Mysql會對查詢結果中的每行都加排他鎖,當沒有其他執行緒對查詢結果集中的任何一行使用排他鎖時,可以成功申請排他鎖,否則會被阻塞。

意向鎖

InnoDB還有兩個表鎖:

意向共享鎖(IS):表示事務準備給資料行加入共享鎖,也就是說一個數據行加共享鎖前必須先取得該表的IS鎖

意向排他鎖(IX):類似上面,表示事務準備給資料行加入排他鎖,說明事務在一個數據行加排他鎖前必須先取得該表的IX鎖。

意向鎖是InnoDB自動加的,不需要使用者干預。

對於insert、update、delete,InnoDB會自動給涉及的資料加排他鎖(X);對於一般的Select語句,InnoDB不會加任何鎖,事務可以通過以下語句給顯示加共享鎖或排他鎖。

共享鎖:SELECT ... LOCK IN SHARE MODE;

排他鎖:SELECT ... FOR UPDATE;

樂觀鎖和悲觀鎖

樂觀併發控制(樂觀鎖)和悲觀併發控制(悲觀鎖)是併發控制主要採用的技術手段。

無論是悲觀鎖還是樂觀鎖,都是人們定義出來的概念,可以認為是一種思想。其實不僅僅是關係型資料庫系統中有樂觀鎖和悲觀鎖的概念,像memcache、hibernate、tair等都有類似的概念。

針對於不同的業務場景,應該選用不同的併發控制方式。所以,不要把樂觀併發控制和悲觀併發控制狹義的理解為DBMS中的概念,更不要把他們和資料中提供的鎖機制(行鎖、表鎖、排他鎖、共享鎖)混為一談。其實,在DBMS中,悲觀鎖正是利用資料庫本身提供的鎖機制來實現的。

下面來分別學習一下悲觀鎖和樂觀鎖。

悲觀鎖

在關係資料庫管理系統裡,悲觀併發控制(又名“悲觀鎖”,Pessimistic Concurrency Control,縮寫“PCC”)是一種併發控制的方法。它可以阻止一個事務以影響其他使用者的方式來修改資料。如果一個事務執行的操作都某行資料應用了鎖,那只有當這個事務把鎖釋放,其他事務才能夠執行與該鎖衝突的操作。
悲觀併發控制主要用於資料爭用激烈的環境,以及發生併發衝突時使用鎖保護資料的成本要低於回滾事務的成本的環境中。

悲觀鎖,正如其名,它指的是對資料被外界(包括本系統當前的其他事務,以及來自外部系統的事務處理)修改持保守態度(悲觀),因此,在整個資料處理過程中,將資料處於鎖定狀態。 悲觀鎖的實現,往往依靠資料庫提供的鎖機制 (也只有資料庫層提供的鎖機制才能真正保證資料訪問的排他性,否則,即使在本系統中實現了加鎖機制,也無法保證外部系統不會修改資料)

在資料庫中,悲觀鎖的流程如下:

在對任意記錄進行修改前,先嚐試為該記錄加上排他鎖(exclusive locking)。

如果加鎖失敗,說明該記錄正在被修改,那麼當前查詢可能要等待或者丟擲異常。 具體響應方式由開發者根據實際需要決定。

如果成功加鎖,那麼就可以對記錄做修改,事務完成後就會解鎖了。

其間如果有其他對該記錄做修改或加排他鎖的操作,都會等待我們解鎖或直接丟擲異常。

MySQL InnoDB中使用悲觀鎖

要使用悲觀鎖,我們必須關閉mysql資料庫的自動提交屬性,因為MySQL預設使用autocommit模式,也就是說,當你執行一個更新操作後,MySQL會立刻將結果進行提交。set autocommit=0;

//0.開始事務begin;/begin work;/start transaction;(三者選一就可以)//1.查詢出商品資訊select status from t_goods where id=1for update;//2.根據商品資訊生成訂單
insert into t_orders (id,goods_id) values (null,1);//3.修改商品status為2
update t_goods set status=2;//4.提交事務
commit;/commit work;

上面的查詢語句中,我們使用了select…for update的方式,這樣就通過開啟排他鎖的方式實現了悲觀鎖。此時在t_goods表中,id為1的 那條資料就被我們鎖定了,其它的事務必須等本次事務提交之後才能執行。這樣我們可以保證當前的資料不會被其它事務修改。

上面我們提到,使用select…for update會把資料給鎖住,不過我們需要注意一些鎖的級別,MySQL InnoDB預設行級鎖。行級鎖都是基於索引的,如果一條SQL語句用不到索引是不會使用行級鎖的,會使用表級鎖把整張表鎖住,這點需要注意。

優點與不足

悲觀併發控制實際上是“先取鎖再訪問”的保守策略,為資料處理的安全提供了保證。但是在效率方面,處理加鎖的機制會讓資料庫產生額外的開銷,還有增加產生死鎖的機會;另外,在只讀型事務處理中由於不會產生衝突,也沒必要使用鎖,這樣做只能增加系統負載;還有會降低了並行性,一個事務如果鎖定了某行資料,其他事務就必須等待該事務處理完才可以處理那行數

樂觀鎖

在關係資料庫管理系統裡,樂觀併發控制(又名“樂觀鎖”,Optimistic Concurrency Control,縮寫“OCC”)是一種併發控制的方法。它假設多使用者併發的事務在處理時不會彼此互相影響,各事務能夠在不產生鎖的情況下處理各自影響的那部分資料。在提交資料更新之前,每個事務會先檢查在該事務讀取資料後,有沒有其他事務又修改了該資料。如果其他事務有更新的話,正在提交的事務會進行回滾。樂觀事務控制最早是由孔祥重(H.T.Kung)教授提出。

樂觀鎖( Optimistic Locking ) 相對悲觀鎖而言,樂觀鎖假設認為資料一般情況下不會造成衝突,所以在資料進行提交更新的時候,才會正式對資料的衝突與否進行檢測,如果發現衝突了,則讓返回使用者錯誤的資訊,讓使用者決定如何去做。

相對於悲觀鎖,在對資料庫進行處理的時候,樂觀鎖並不會使用資料庫提供的鎖機制。一般的實現樂觀鎖的方式就是記錄資料版本。

資料版本,為資料增加的一個版本標識。當讀取資料時,將版本標識的值一同讀出,資料每更新一次,同時對版本標識進行更新。當我們提交更新的時候,判斷資料庫表對應記錄的當前版本資訊與第一次取出來的版本標識進行比對,如果資料庫表當前版本號與第一次取出來的版本標識值相等,則予以更新,否則認為是過期資料。

實現資料版本有兩種方式,第一種是使用版本號,第二種是使用時間戳。

使用版本號實現樂觀鎖

使用版本號時,可以在資料初始化時指定一個版本號,每次對資料的更新操作都對版本號執行+1操作。並判斷當前版本號是不是該資料的最新的版本號。

1.查詢出商品資訊select(status,status,version)from t_goods where id=#{id}2.根據商品資訊生成訂單3.修改商品status2
update t_goods 
set status=2,version=version+1where id=#{id}and version=#{version};

優點與不足

樂觀併發控制相信事務之間的資料競爭(data race)的概率是比較小的,因此儘可能直接做下去,直到提交的時候才去鎖定,所以不會產生任何鎖和死鎖。但如果直接簡單這麼做,還是有可能會遇到不可預期的結果,例如兩個事務都讀取了資料庫的某一行,經過修改以後寫回資料庫,這時就遇到了問題。