SQL Server中CURD语句的锁流程分析

我只在数据库选项已开启“行版本控制的已提交读”(READ_COMMITTED_SNAPSHOT为ON)中进行了观察。

因此只适用于这种环境的数据库。

该类数据库支持四种不同事务隔离级别，下面分别观察数据库的锁行为，测试代码未涉及锁升级。

 

请先参阅：

数据库引擎中的锁定

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms190615.aspx

 

一、环境：数据库开启“行版本控制的已提交读”，要求单一连接(非单用户模式)

DECLARE @DBName nvarchar(128), @sql nvarchar(max);
SET @DBName = DB_NAME();
SET @sql = 'ALTER DATABASE '+@DBName+' SET READ_COMMITTED_SNAPSHOT ON;'
EXEC(@sql);

--查看设置结果
SELECT name,snapshot_isolation_state,IS_READ_COMMITTED_SNAPSHOT_ON
  FROM sys.databases
 WHERE name = @DBName

 

二、方法：

使用Apq_ID表进行研究

表定义：

CREATE TABLE [dbo].[Apq_ID]
(
[ID] [bigint] NOT NULL IDENTITY(1, 1),
[Name] [nvarchar] (256) COLLATE Chinese_PRC_CI_AS NOT NULL,
[Crt] [bigint] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID_Crt] DEFAULT ((0)),
[Limit] [bigint] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID_Limit] DEFAULT ((0x7FFFFFFF7FFFFFFF)),
[Init] [bigint] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID_Init] DEFAULT ((0)),
[Inc] [bigint] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID_Inc] DEFAULT ((1)),
[State] [int] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID_State] DEFAULT ((0)),
[_Time] [datetime] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID__Time] DEFAULT (getdate()),
[_InTime] [datetime] NOT NULL CONSTRAINT [DF_Apq_ID__InTime] DEFAULT (getdate())
) ON [PRIMARY]
GO
ALTER TABLE [dbo].[Apq_ID] ADD CONSTRAINT [PK_Apq_ID] PRIMARY KEY NONCLUSTERED  ([ID]) WITH (FILLFACTOR=80, PAD_INDEX=ON) ON [PRIMARY]
GO

准备，先插入一些行：

SET IDENTITY_INSERT dbo.Apq_ID ON;
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(1, 'ISOLATION');
-- 跳过了2，2用于后面观察INSERT
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(3, '3');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(4, '4');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(5, '5');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(6, '6');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(7, '7');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(8, '8');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(9, '9');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(10, '10');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(11, '11');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(12, '12');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(13, '13');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(14, '14');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(15, '15');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(16, '16');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(17, '17');
INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(18, '18');
SET IDENTITY_INSERT dbo.Apq_ID OFF;

启动两个连接并记录SPID：

我这里是 56 和 104

 

对锁申请过程的监控是通过SQL Profiler查看的。过滤设置为只查看这两个连接。

本文没有对SQL Profiler监控到的锁申请和释放过程截图，仅用语言描述。

Locks 事件类别

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms177493(v=sql.105).aspx

注意选择符合自己的版本浏览，相同列的同一数值在不同版本可能含义不同。

 

三、过程：

1、SELECT (S锁)

两个连接均执行以下语句：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ UNCOMMITTED; --未提交读
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED;   --已提交读
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL REPEATABLE READ;  --可重复读
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SNAPSHOT;         --快照(“行版本控制的已提交读”数据库中不支持)
SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;     --序列化

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;--依次改为上面支持的4种不同级别进行测试，下同
BEGIN TRAN

    DECLARE @name nvarchar(256)
    SELECT @name = Name
      FROM Apq_ID
     WHERE ID = 1;--使用索引

-- 测试结束时回滚事务
--ROLLBACK TRAN

可以看到任何隔离级别两个连接均能执行成功，没有阻塞发生。

这时先不要回滚事务，从另外的连接中查看锁的情况：

SELECT OBJECT_ID('dbo.Apq_ID');--记录下来，我这里是1829581556，只是为了方便在结果集中看到哪些是与该表相关的锁
-- 查看锁
EXEC sp_lock 56, 104; --我这里分别是56和104

对比：

 

READ UNCOMMITTED	READ COMMITTED READ_COMMITTED_SNAPSHOT为ON	REPEATABLE READ	SERIALIZABLE
	同左		同左
申请：最小粒度为HBT级S锁（基本上可以理解为树型结构的根节点） 释放：语句结束释放(所以图上看不到) 定义级锁，“短”生命周期 也就是通常说的“不加锁”，其实只是没有对数据加锁	同左	申请：最小粒度为行级S锁 释放：事务结束释放 行级锁，“长”生命周期	这个用例中同左。 如果是表扫描，则最小粒度将变为表级S锁
1.相同点：锁申请均是粒度从大到小。最小粒度的IS锁转换为S锁。(数据库级锁均为S锁)                  释放锁时均是按粒度从小到大。 2.不同点：不同隔离级别下申请锁的最小粒度不同，锁的生命周期不同。

S = 共享。 授予持有锁的会话对资源的共享访问权限。

 

2、UPDATE (U锁和X锁)

两个连接均执行以下语句：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
BEGIN TRAN

    DECLARE @Limit bigint, @Inc bigint, @End bigint, @Next bigint;
    -- 尝试分配ID
    UPDATE Apq_ID
       SET _Time = getdate()
        ,@Limit = Limit
        ,@Inc = Inc
        ,@Next = Inc + Crt
        ,@End = Crt = Inc + Crt
     WHERE ID = 1;--直接使用上面查到的1

    SELECT @Limit, @Inc, @Next, @End;

-- 测试结束时回滚事务
--ROLLBACK TRAN

这次可以发现均只能有一个连接能执行完成，另一个连接则由于无法获取到锁而无处于等待状态。

同上，先不要回滚，我们看此时的锁(我这里是先执行117，因此它能执行完成)：

-- 查看锁
EXEC sp_lock 65, 117; --我这里分别是65和117

对比：

READ UNCOMMITTED	READ COMMITTEDREAD_COMMITTED_SNAPSHOT为ON	REPEATABLE READ	SERIALIZABLE
117回滚后再查看
申请：最小粒度为行级U锁,有实际写入的行变为X锁           (索引同理，RID对应于Key) 释放：语句结束释放U锁(可理解为因为[这里是索引的]行的临时版本已过期)，事务结束释放X锁		申请：最小粒度为行级U锁,有实际写入的行变为X锁           (索引同理，RID对应于Key) 释放：事务结束释放U锁和X锁
1.相同点：锁申请均是粒度从大到小，最小粒度锁为行级U锁，其余为IU锁。(数据库级锁均为S锁)                  语句执行时实际写入的行才变为X锁，其所在的更大粒度则是变为IX锁。(索引同理)                  释放锁时均是按粒度从小到大，X锁都是事务结束释放。       注意：如果是表扫描，则对将要扫描的行都是先加U锁，再判断是否满足条件，不满足时会立即释放。 2.不同点：U锁的生命周期不同。 3.与SELECT对比：没有看到不同的最小粒度。

SELECT与UPDATE小结：

        对不同的隔离级别，大致可以这样想：

                前两个级别，几乎都一样;

                S锁的最小粒度：前两个相同,后两个稍有不同。

                U锁的生命周期：前两个和后两个不同;

                X锁生命周期：都是事务结束释放。

 

3、INSERT (X锁)

两个连接(这次是56和104)均执行以下语句：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
BEGIN TRAN

    -- 使用固定ID,让其冲突
    SET IDENTITY_INSERT dbo.Apq_ID ON;
    INSERT INTO dbo.Apq_ID(ID, Name) VALUES(2, 'ISOLATION_INSERT');
    SET IDENTITY_INSERT dbo.Apq_ID OFF;

-- 测试结束时回滚事务
--ROLLBACK TRAN

这次可以发现均只能有一个连接能执行完成，另一个连接则由于无法获取到锁而无处于等待状态。

 

同上，先不要回滚，我们看此时的锁(我这里是先执行56，因此它能执行完成)：

-- 查看锁
EXEC sp_lock 56, 104; --我这里分别是56和104

结果：

都一样

56回滚后再查看

申请：最小粒度为行级X锁，先行RID后索引Key。
释放：事务结束释放X锁

可以看出INSERT语句是先写入行数据并加X锁(此时并没有考虑重复)，然后写入索引数据(此时才会冲突而无法获取到X锁)

 

4、DELETE (U锁和X锁)

两个连接(这次是56和104)均执行以下语句：

SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL SERIALIZABLE;
BEGIN TRAN

    -- 使用固定ID,让其冲突
    DELETE dbo.Apq_ID WHERE ID = 1;

-- 测试结束时回滚事务
--ROLLBACK TRAN

这次可以发现均只能有一个连接能执行完成，另一个连接则由于无法获取到锁而无处于等待状态。

 

同上，先不要回滚，我们看此时的锁(我这里是先执行56，因此它能执行完成)：

-- 查看锁
EXEC sp_lock 56, 104; --我这里分别是56和104

对比：

READ UNCOMMITTED	READ COMMITTED READ_COMMITTED_SNAPSHOT为ON	REPEATABLE READ	SERIALIZABLE
	同左		同左
117回滚后再查看
	同左		同在
申请：最小粒度为行级U锁，先索引Key后行RID。 语句：有实际删除的行变为X锁           (索引同理，RID对应于Key) 释放：语句结束释放U锁，事务结束释放X锁(这一点没有想到如何证明，因为没有想到让U和X同时存在的办法)	同左	申请：最小粒度为行级U锁，先索引Key后行RID。 语句：有实际删除的行变为X锁           (索引同理，RID对应于Key) 释放：事务结束释放U锁和X锁	同左
1.相同点：基本一样。 2.不同点：U锁的生命周期不同。(未能观察到)

 

四、全局总结

对四个不同隔离级别，不同的只是锁的最小粒度和生命周期。其中可序列化隔离级别的最小粒度与是否为表扫描相关。

级别	READ UNCOMMITTED		READ COMMITTED READ_COMMITTED_SNAPSHOT为ON		REPEATABLE READ		SERIALIZABLE
锁模式	最小粒度	生命周期	最小粒度	生命周期	最小粒度	生命周期	最小粒度	生命周期
S	HBT	语句结束	HBT(未开启行版本则是RID/Key?) 括号中的内容是猜的,懒得测了	语句结束	RID/Key	事务结束	RID/Key [表扫描时为TAB]	事务结束
	读取行数据(可能是修改后尚未提交的)		读取最后一次已提交的行(可能是“版本化”数据)
	HBT级S锁不被数据锁阻塞
U	RID/Key	语句结束	RID/Key	语句结束	RID/Key	事务结束	RID/Key [表扫描时为TAB]	事务结束
X	RID/Key	事务结束	RID/Key	事务结束	RID/Key	事务结束	RID/Key [表扫描时为TAB]	事务结束
	因为开启了“行版本”，所以对产生实际修改的行，修改前的值会存到tempdb中“版本化”。 事务中多次修改只会保存修改开始时的那个版本(修改前)。 版本化数据由后台线程维护，自动在可以删除时删除。

HBT(MSDN中有的地方也叫HoBT)可以理解为树型结构(表或索引)的根节点(非数据)。(个人理解，仅供参考)

表(索引)扫描过程中，对将要扫描的行RID(索引Key)都是先加相同模式的锁(S或U)，再读取数据进行判断是否满足条件，不满足时会立即释放(不等语句结束)。

 

以下为个人观点，不一定正确，仅供参考：

A：锁分类

按锁关联的数据类型：索引锁，数据锁。

按锁模式分：S、U、X、BU(本文未测试)

按锁类型分：意向锁、真实锁

锁粒度大致量化：

级别量化	粒度	说明	阻塞其它连接的CURD操作
1	行级	行RID/索引Key	有可能
2	页级	表/索引的页 PAG	有可能
3	表级(表分区)、索引	整个表的数据，或整个索引的数据 TAB	有可能
4	树型结构根级	表、索引等的结构定义HBT(在CURD操作中，都是IS锁/S锁)	无
5	架构级	Schema	无
6	数据库级	DB	无

 

B：锁流程分析

通过以上观察，结合锁升级考虑，可以看出SQL Server锁的申请释放流程大致可分申请阶段、执行阶段与释放阶段：

1.申请阶段：

        所有锁申请中，遇到冲突则等待

        流程：根据粒度大小，从大到小申请:数据库S锁，架构IS锁(CURD操作总是IS锁，因为并不更改架构)，......(各中间粒度的意向锁)，直至最小粒度时转换为申请真实锁。

                这是一个向下递归过程，非意向锁即为出口(即最小粒度)。相同粒度级别的不同数据类型锁，URD是先索引后数据且深度优先，C(INSERT)则是反过来，因此是取决于执行计划是先读写索引还是先读写表。

 

        这里可能发生锁升级，即当该语句申请的锁数量达到一定程度，锁的最小锁粒度会变成表级。

        触发锁升级时，实际上相当于不再申请页级锁和行级锁,而是直接把表级锁当最小粒度进行转换，成功后再释放所有比表级更小粒度的锁。

            这也就形成了“数据库引擎不会将行锁或键范围锁升级到页锁，直接升级到表锁”的现象。

 

        关于锁升级，参考MSDN：https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms184286.aspx

2.执行阶段：

      执行语句操作，这里有实际更改的最小粒度U锁会转换为X锁。若最小粒度为行级，则其所在的页级IU锁转换为IX锁。

　　同时行版本开启与否还会影响这里的行为。

3.释放阶段：

        根据该锁在当前隔离级别定义的生命周期，按与申请相反的顺序，粒度从小到大，逐级释放。(主要是S锁和U锁的释放不同，有的是语句结束时，有的是事务结束时;X锁的释放一定是最外层事务结束时)

 

        特别地，对于意向锁，当其下面更小粒度的锁全部释放时，该意向锁也被释放。这可以看作是一个向上的递归过程，非意向锁是递归出口(即数据库级)，这也是为什么数据库级锁只会是实际锁的原因。

 

C：表提示

关于查询中的表提示(UPDLOCK、XLOCK等)：实际上只是改变了申请阶段的真实锁模式(或锁的最小粒度)，并不改变整个锁流程及所申请的锁在各隔离级别下的生命周期。

　　关于表提示,参考MSDN:https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms187373(v=sql.120).aspx

 

另：READ COMMITTED级别下两个行版本的区别：

READ_COMMITTED_SNAPSHOT 数据库选项设置为 ON：事务中多个语句读取同一个数据行，不保证值相同，即所谓“在每条语句启动前提交的所有数据”，语句级。

ALLOW_SNAPSHOT_ISOLATION 数据库选项设置为 ON：事务中多个语句读取同一个数据行，保证值相同，即所谓“在每个事务启动前提交的所有数据”，事务级。

 

五、资料：

了解基于行版本控制的隔离级别

https://msdn.microsoft.com/zh-cn/library/ms189050(v=sql.105).aspx

 

sp_lock 结果集部分说明(MSDN):

IndId    持有锁的索引的标识号。

 

Type    锁的类型：

锁类型	粒度	粒度级别(个人看法)
RID = 表中单个行的锁，由行标识符 (RID) 标识。	数据行 RID	1
KEY = 索引内保护可串行事务中一系列键的锁。	索引键 Key	1
PAG = 数据页或索引页的锁。	页 PAG	2
EXT = 对某区的锁。	区 EXT (max类的列)	1
TAB = 整个表（包括所有数据和索引）的锁。	表 TAB	3
上面的锁按锁模式定义可能阻塞其它连接的CURD操作。 CURD操作产生的下面这些锁，则不会阻塞其它连接的CURD操作，因为它们只是(意向)共享锁，但仍有可能阻塞CURD以外的其它操作，如更改架构，表结构，索引定义等。
DB = 数据库的锁。	库 DB	6
FIL = 数据库文件的锁。	文件 FIL	5
APP = 指定的应用程序资源的锁。		5
MD = 元数据或目录信息的锁。		4
HBT = 堆或 B 树索引的锁。在 SQL Server 中此信息不完整。		4
AU = 分配单元的锁。在 SQL Server 中此信息不完整。

 

Resource    标识被锁定资源的值。 值的格式取决于 Type 列标识的资源类型：

RID：格式为 fileid:pagenumber:rid 的标识符，其中 fileid 标识包含页的文件，pagenumber 标识包含行的页，rid 标识页上的特定行。 fileid 与 sys.database_files 目录视图中的 file_id 列相匹配。

KEY：数据库引擎内部使用的十六进制数。

 

Mode    所请求的锁模式。 可以是：

U = 更新。 指示对最终可能更新的资源获取的更新锁。 用于防止一种常见的死锁，这种死锁在多个会话锁定资源以便稍后对资源进行更新时发生。

X = 排他。 授予持有锁的会话对资源的独占访问权限。

 

Status    锁的请求状态：

 

GRANT：已获取锁。

 

WAIT：锁被另一个持有锁（模式相冲突）的进程阻塞。