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  • Oracle 锁机制探究

    以前虽然在网上看到很多关于Oracle锁机制的描述,但总感觉哪里有缺陷不适合自己,因此花了点时间参考官网以及Tom Tyke的《Oracle 9i/10g/11g编程艺术》一书整理了一下Oracle锁相关的知识。

    Ps:此博客经过多次编辑,以当前版为准。

    官网网址参考:

    11.2
    10.2

    一、Oracle数据库的锁类型:

    根据保护的对象不同,Oracle数据库锁可以分为以下几大类:    
    1、DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的完整性;    
    2、DDL锁(dictionary locks,字典锁),用于保护数据库对象的结构,如表、索引等的结构定义;    
    3、内部锁和闩(internal locks and latches),保护数据库的内部结构。 
     
    二、接下来依次讨论以上三种锁结构:
    1.DML锁
    DML锁主要包括TM锁和TX锁,其中TM锁称为意向锁或表级锁,TX锁称为行级锁或事务锁。我们可以认为Oracle只有如下6种LMODE的锁,只是根据锁定的对象不同而有不同的名称,如6号的X锁,既可以是用于锁表的TM锁,也可以是TX锁,也可以是DDL锁。
    1.1 TM锁(也叫意向锁/表级锁)
    TM锁包含如下类型:

    TM锁的兼容性如下:(Y表示兼容,N表示冲突)

    1.2 TX锁

    TX锁只包含一种类型的锁:
    TX的本义是Transaction(事务),当一个事务第一次执行数据更改(Insert、Update、Delete)或使用SELECT… FOR UPDATE语句进行查询时,它即获得一个TX(事务)锁,直至该事务结束(执行COMMIT或ROLLBACK操作)时,该锁才被释放。
    在同一个事务中,无论是锁定一行,还是一百万行,对于Oracle来说锁开销是一样的。这点可能与其他数据库不一样(例如SQL Server),原因是针对Oracle的每行数据都有一个标志位来表示该行数据是否被锁定。这样就极大的减小了行级锁的维护开销,也不可能出现锁升级。数据行上的锁标志一旦被置位,就表明该行数据被加X锁。
    注意TX锁在v$lock的lmode也是6,但是这个6与TM锁的6号X锁只是因为锁定的对象不同而被叫做了TX锁。

    1.3 举例说明

    当发出一个DML命令后会话获取一个3号的TM锁,和一个针对特定行的6号TX锁。
    行级只有X锁,且锁模式为6,再次重申这里的6并不是指TM的6号表锁。
    此外Oracle一个事务中无论锁定多少行只会获取一个TX锁(没有锁升级),但有多少个表对象就会获取多少个TM表级锁。
    验证如下:

    查询锁的语句为:

    select sid,type,id1,lmode,request,block from v$lock l where sid in (select session_id from v$locked_object) and type in ('TM', 'TX') order by 1;
    

    1.4 DML锁的总结:

    读永远不会阻止写。但有唯一的一个例外,就是select ...for update。
    写永远不会阻塞读。当一行被修改后,Oracle通过回滚段提供给数据的一致性读。
    注意:
    以上读写操作不会互相阻塞是指在DML锁级别不会,但在内存中依然会发生内部闩锁的争用造成读被阻塞。例如DDL锁可能会造成严重的library cache lock等待,导致select语句被阻塞。再比如热块争用也会造成写阻塞读,只不过表现是buffer busy waits而已。

    2.DDL锁

    重点:DDL是保护表结构定义的。
    DDL命令发出时,Oracle会自动在被处理的对象上添加DDL锁定,从而防止对象被其他用户所修改。当DDL命令结束以后,则释放DDL锁定。
    DDL锁定不能显式的被请求,只有当对象结构被修改或者被引用时,才会在对象上添加DDL锁定。
    并不是所有DDL都会触发DDL锁,例如现在的创建索引语句,就只会获取一个S模式的TM锁,因此不会阻塞读。而online模式创建索引的语句则只会获取一个2号的TM锁,因此连DML也不会被阻塞。
    需要注意的是DDL总会提交,即便是执行不成功也是如此,因此如果在事务中执行了DDL语句会导致所有事物被提交。验证很容易,在一个窗口执行一条delete然后执行DDL,你会发现记录被不可逆转的删除了,RollBack无效。因此针对事务中的DDL请务必使用自治事务实现。
    DDL锁有3种:
    2.1 排他DDL锁  --即6号的TM锁(Exclusive DDL Locks)
    一般对表的DDL语句都会获取一个X模式的TM锁,这是为什么在表结构更改时只能查询不能修改的原因。
     
    2.2 共享DDL锁(Share DDL Locks)
    共享DDL锁的常见情形为创建存储过程时,会尝试为所有涉及到的表添加共享DDL锁,这会允许类似的DDL操作并发,但会阻止所有想要获取排他DDL锁的会话(即更改表结构的会话)。
    --我觉的可以认为这就是4号的TM表锁。
     
    2.3 可中断解析锁(Breakable Parse Locks)
    会话解析一条SQL或PLSQL代码块时,对于该语句引用的每一个对象都会施加解析锁,目的在于:如果以某种方式删除或修改了引用对象,可以将共享池中已经解析的缓存语句无效刷出。
    之所以叫做可中断解析锁,是因为这种锁优先级很低可能会被其他互斥DDL操作打断。
    每个SQL在解析时都会获取一个可中断解析锁,只要SQL语句还在shared pool中,这个锁就一直存在。
    Library cache lock就属于可中断解析锁,可以认为Library cache lock是针对父游标句柄和子游标句柄的保护体,pin是针对父子游标的保护体。前者有三种模式:1 null,2 S,3 X 后者只有2 S,3 X两种模式。在进行解析时一般会获取共享模式的Library cache lock以防止内存对象被修改,之后转为NULL模式。
     
    3.内部闩锁机制
    Latches:
    可译作闩或者栓,这是一种非常低级别的序列化结构,用于协调并发会话对于共享数据结构、文件等的访问。
    闩可以防止并发会话破坏共享的内存资源,几个非常典型的场景是:
    • 多个会话同时修改数据
    • 读取的数据正在被其他会话修改
    • 重新分配内存
    可能在这里会和事务锁混淆,但事务锁是锁定逻辑结构的,如表和行,但是闩却是锁定物理结构的,如内存中的数据块、执行计划链表等等。多个会话对于同一个对象的访问就需要闩来保护了,例如对于同一个数据块中不同行的访问就需要latch来保护,而闩的存在时间是极短的,因此可以实现高并发(其实Oracle高并发并非是真正的并发而是latch释放速度极快的串行访问)。
    通常在SGA中一个latch可以保护多个对象,例如DBWn和LGWR进程从SGA中分配内存以便创建新的数据结构,为了防止冲突进程会使用一种叫做shared pool latch的闩来序列化分配操作,在内存分配完毕后其它进程可能会需要访问shared pool中的其他区域如library cache,此时闩只会锁住library cache而非整个shared pool。
    通常情况下oracle进程获取闩的时间极短,一个简单的查询都会有成千上万次的闩的获取和释放,是完全不能由用户控制的。
    闩的数目的增多,意味着并发量增大,可以通过v$latch视图来查看闩的使用情况,包括每种闩被请求和等待的次数。
    Mutex:(Mutual exclusion object)
    可以译作互斥体,这种结构很类似于闩,区别在于一种mutex只保护一种对象,而一种闩通常会保护多种对象。
    mutex的优势在于:
    • mutex可以减少latch争用
    • mutex比latch占用更少的内存
    • share mode模式的mutex允许多个会话并发使用
    其他内部锁:
    这些是比mutex和latch更复杂的结构,oracle数据库使用以下几种内部锁:
    1.Dictionary cache locks
    2.File and log management locks
    3.Tablespace and undo segment locks
    这几种锁的解释有兴趣可以到官网看,平时基本观察不到,后两种基本都在多实例时出现。
     
    拓展说明:
    上边谈到了Library cache lock和Library cache pin,这里稍微解释下:
    一、首先我们以Oracle 10.2之前版本作为基准来解释:主要来自于《Oracle8i Internal Services》一书的第四章
    ****************************************
    Library cache的包含很多cache部分,它包含PLSQL代码块的、解析树、SQL执行计划等,它还包含一个由SQL引用的DIANA的数据库对象,此对象被用于进行PLSQL块的编译以及SQL解析和执行,尽管数据字典中也包含此类信息。此外library cache也包含例如同义词转换、依赖追踪等信息,当然还有library cache lock/pin等内存闩锁。
    Library cache lock属于可中断解析锁,有NULL、S、X三种模式,而Library cache pin有S和X两种模式,在解析SQL时会话获取S模式的Library cache lock,解析完毕后转为NULL模式。如果有DDL操作更改了语句涉及的数据库对象,那么依赖于此数据库对象的所有library cache objects都会失效,失效过程就是失去NULL模式的library cache lock的过程。
    ****************************************
    接下来先放一张图:
    这是library cache中主链表的简易结构图,每个hash bucket对应一个父游标句柄的链表,LCO表示library cache objects,是父游标或者子游标。父子游标是一对一或者一对多的关系。
    在了解了以上基本常识的情况下,再来看涉及的内存栓锁:
    首次进行硬解析的会话需要获取library cache latch(只有独占模式,无队列)来生成父游标句柄,待添加X模式library cache lock后释放library cache latch进行父游标句柄构造,构造父游标句柄完毕后获取X(独占)模式的library cache pin来构造父游标,接下来获取X模式的library cache lock生成子游标句柄,最后获取X模式library cache pin构造子游标完成硬解析。
    如果是在已经存在的父游标上进行硬解析那么就会添加S模式的父游标句柄library cache lock来获取X模式的父游标library cache pin,之后获取X模式的library cache lock/pin完成硬解析。
    软解析时则先获取S模式的父游标句柄library cache lock,然后获取S模式父游标library cache pin、S模式子游标句柄library cache lock和S模式子游标library cache pin。
    二、接下来讨论10.2之后的的变化:
    library cache pin结构被Cursor:xxx类型的mutex取代,而在11.1之后library cache latch结构也被library cache:mutex xxx类型的mutex取代了。
    那么全新的SQL硬解析时首先会在library cache:mutex X的保护下获取X模式的library cache lock,然后释放mutex并构造父游标句柄,之后获取Cursor:pin X构造父游标,然后获取子游标句柄library cache lock构造子游标句柄并释放父游标的Cursor:pin X,最后获取Cursor:pin X完成子游标的构造从而完成硬解析。
    如果是已经存在的父游标进行硬解析,那么首先在library cache:mutex X的保护下获取S模式的library cache lock,之后获取Cursor:pin S来pin住父游标,然后获取X模式的library cache lock构造子游标句柄并释放父游标mutex,最后获取Cursor:pin X构造子游标完成硬解析。
    如果是软解析那么首先在library cache:mutex X的保护下获取S模式的library cache lock,之后获取Cursor:pin S来pin住父游标,最后依次找到子游标句柄和子游标。
    如果发生了Cursor:pin S wait on X,那么意味着有硬解析在发生,并且可能存在较高的version count,导致此父游标句柄下的所有游标无法拿到Cursor:pin S。还有一种情况是游标涉及的LCO发生了DDL导致所有句柄失效,此时需要进行重新编译获取X模式的子游标mutex,因此其他会话发生Cursor:pin S wait on X等待。
    同样的library cache lock等待也意味着存在硬解析,只有硬解析才会获取X模式的library cache lock,由于library cache lock的获取需要mutex的保护,相应的mutex等待也会伴生,可能是library cache:mutex X或者Cursor:xxx类型的mutex,这取决于library cache lock的等待是在父游标句柄还是子游标句柄上,子游标句柄较为常见。
     
    最后重要说明:
    以上关于内存锁的解释绝大部分都是基于《Oracle内核技术揭秘》的关于shared pool的章节以及《Oracle Internals: An Introduction》一书,如有困惑可以翻书或在文章下方留言交流。
     
    总结一下自己的观点:
    DML和除可中断解析锁之外的DDL锁就是保护逻辑结构的结构体,而library cahce lock/pin、latch和mutex则是保护内存中物理结构的结构体,抛开DML锁,一般来说在内存中获取内存锁都需要latch和mutex的保护,常见的场景就是library cache中Library cache lock的获取需要library cache:mutex X的保护,以及Buffer pool中的buffer pin 需要cbc latch保护住hash bucket中涉及到本SQL的链表头。
    从名字上就可以看出latch和mutex的保护对象,cursor: xxx这种mutex保护的是游标, cbc latch保护的则是cache buffer chain链表,library cahce:mutex(以前叫library cache latch)则是用于保护library cache的,具体说来也是hash bucket的父游标句柄链表,以此来获取parent cursor handler上的library cache lock。
     
    Oracle官网已经没有太多更详细的关于内部闩锁的资料,更详细的关于内部latch和mutex的运作机制和种类,参考吕海波《Oracle内核技术揭秘》和Steve Adams的《Oracle 8i Internal Services》一书。
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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/leohahah/p/7039907.html
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