Oracle的数据并发与一致性详解（下）

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      上篇介绍了数据并发与一致性的相关概念、以及oracle的事务隔离级别等内容，本篇继续介绍锁机制、自动锁、手动锁、用户自定义锁的相关内容。

一、锁机制

      事务之间的并发控制实际是通过锁实现的，锁是用来预防事务之间访问相同数据时的破坏性交互（比如错误的更新数据等）的一种机制，在维护数据库并发性与一致性方面扮演了一个重要角色。

1.锁的基本概念

      一般来说，数据库有两种类型的锁：共享锁（share locks）和排他锁（exclusive locks）。一个资源（比如一行或一个表）上面只能有一个排他锁，但可以有多个共享锁。具体后文会有详细介绍。锁会影响到查询reader和writer的交互（reader是查询某资源，writer是修改某资源），下面总结了Oracle中reader和writer的锁定行为：

• 只有一个writer 在修改一行时，这一行才会被锁：当一个语句更新了一行，则事务只获取了这一行的锁，以实现数据库的最小争用。在正常情况下，数据库不会将行锁升级为块锁，甚至表锁。
• 某行的writer会阻塞并发的该行的其它writer：如果一个事务在修改某一行，那么行锁会阻止其它事务在这一时间内修改这一行
• reader永远不会堵塞writer：因为该行的reader不会对这行上锁（当然select .. for update除外，这是个特殊的select）
• writer永远不会堵塞reader：当一个writer正在修改一行时，数据库通过使用undo数据来对reader提供读一致性（上篇有过介绍了）

      注意：在一些非常特殊的场景中，reader可能会等待同一个块的写。

2.锁的使用

      数据库使用锁完成了下面的重要需求：

• 一致性（Consistency）：正在查看或修改的数据不能被其它session修改，直到用户修改完成
• 完整性（Integrity）：数据或结构必须按正确的顺序来反应对它们所做的所有修改

      锁是根据需要自动执行的，不需要用户做什么操作。看下面的一个简单案例：

1 UPDATE employees
2 SET    email = ?, phone_number = ?
3 WHERE  employee_id = ?
4 AND    email = ?
5 AND    phone_number = ?

       在此update中，email和phone_number都是原始的值，这样更新，能够避免上篇提到的丢失更新的问题。下表显示了当两个会话在相同时间更新employees表中相同的行时的执行顺序：

SELECT employee_id, email, 
       phone_number 
FROM   hr.employees 
WHERE  last_name = ‘Himuro‘;

EMPLOYEE_ID EMAIL   PHONE_NUMBER
----------- ------- ------------
        118 GHIMURO 515.127.4565

SELECT employee_id, email, 
       phone_number 
FROM   hr.employees 
WHERE  last_name = ‘Himuro‘;

EMPLOYEE_ID EMAIL   PHONE_NUMBER
----------- ------- ------------
        118 GHIMURO 515.127.4565

UPDATE hr.employees 
SET phone_number=‘515.555.1234‘ 
WHERE employee_id=118
AND email=‘GHIMURO‘
AND phone_number=‘515.127.4565‘;

1 row updated.

UPDATE hr.employees 
SET phone_number=‘515.555.1235‘ 
WHERE employee_id=118
AND email=‘GHIMURO‘
AND phone_number=‘515.127.4565‘;

-- SQL*Plus does not show
-- a row updated message or
-- return the prompt.

COMMIT;

Commit complete.

0 rows updated.

UPDATE hr.employees 
SET phone_number=‘515.555.1235‘ 
WHERE employee_id=118
AND email=‘GHIMURO‘
AND phone_number=‘515.555.1234‘;

1 row updated.

SELECT employee_id, email, 
       phone_number 
FROM   hr.employees 
WHERE  last_name = ‘Himuro‘;

EMPLOYEE_ID EMAIL   PHONE_NUMBER
----------- ------- ------------
        118 GHIMURO 515.555.1234

UPDATE hr.employees 
SET phone_number=‘515.555.1235‘ 
WHERE employee_id=118
AND email=‘GHIMURO‘
AND phone_number=‘515.555.1234‘;

-- SQL*Plus does not show
-- a row updated message or
-- return the prompt.

ROLLBACK;

Rollback complete.

1 row updated.

COMMIT;

Commit complete.

       Oracle数据库在执行sql的时候会自动获取所需要的锁，因此用户在应用设计的时候只需要定义恰当的事务级别，不需要显示锁定任何资源。（即使oracle提供了手动锁定数据的方法，用户不会用到。）

3.锁模式

      Oracle自动使用最低的限制级别去提供最高程度的并发。Oracle中有两种类型的锁：

• 排他锁（exclusive lock）：这种类型是阻止资源共享的，一个事务获取了一个排他锁，则这个事务锁定期间只有这个事务可以修改这个资源
• 共享锁（share lock）：这种类型是允许资源共享的，多个事务可以在同一资源上获取共享锁

      假设一个事务使用select ... for update(其它DML操作也一样)来选择表中的一行，则这个事务会获取该行的排他行锁，以及所在表的共享表锁。行锁允许其它事务修改除该行的其它行，而表锁阻止其它事务修改表结构。

4.锁转换和锁升级

      Oracle在需要的时候会自动执行锁转换，在转换过程中，会将低限制的锁转换为高限制的锁。举例来说，当一个事务执行select ... for update查出一行，之后更新该行，在这种场景下，Oracle会自动将 共享表 锁转换为 行独占表锁。其它的DML操作也会持有一样的锁。此时，获取的行锁已经在最高限制级别了，所以不会在执行锁转换了。

      锁转换和锁升级不一样，锁升级发生在当某个粒度级别持有很多锁时，数据库会将锁升级到更高的粒度级别。比如一个用户锁了一个表中的很多行，那么很多数据库会自动将锁升级为表锁，这样锁的数据就减少了，但限制程度也增加了。

      Oracle永远不会执行锁升级。锁升级极大的增加了死锁的可能性。想想为什么？因为事务1执行过程中需要升级锁，但因为被事务2锁住了相关资源而不能升级，而事务2此时也在等待事务1已锁住的资源，这样就死锁了。

5.锁持续时间

      当事务结束（执行commit或rollback）时，锁会被释放。注意，当执行rollback时，是先回滚到savepoint后，才释放锁。

6.死锁

      Oracle会自动检测死锁，并通过回滚其中一个语句来解决死锁。当然，可以在等待一段时间后，重试被回滚的语句。下面描述了一个死锁的场景：

SQL> UPDATE employees 
  SET salary = salary*1.1
  WHERE employee_id = 100;

1 row updated.

SQL> UPDATE employees
  SET  salary = salary*1.1
  WHERE employee_id = 200;

1 row updated.

SQL> UPDATE employees 
  SET salary = salary*1.1
  WHERE employee_id = 200;

-- prompt does not return

SQL> UPDATE employees
   salary = salary*1.1
  WHERE employee_id = 100;

-- prompt does not return

UPDATE employees
       *
ERROR at line 1:
ORA-00060: deadlock detected
while waiting for resource

SQL>

SQL> COMMIT;

Commit complete.

1 row updated.

SQL>

SQL> COMMIT;

Commit complete.

二、自动锁

      Oracle的锁可以分为以下几个类别：

• DML锁：保护数据，比如表锁是锁定整个表，而行锁是锁定指定行
• DDL锁：保护对象的结构，比如表和视图的定义
• 系统锁：保护内部的数据库结构，比如数据文件，latch, mutexes以及内部锁

1.DML锁

      DML锁可以防止多个互相冲突的DDL,DML操作对数据的破坏性。DML语句自动获取两种类型的锁：Row locks(TX)和Table locks(TM)。（这个简写是oracle EM的locks monitor中使用的缩略语）。

1)行锁（Row locks或TX）

      事务通过insert, update, delete, merge或select ... for update修改的任何行都会加上行锁，行锁只有排他模式，行锁会持续到事务结束（commit或rollback）。

      注意：如果一个事务因为数据库异常关闭，会先进行块级恢复以使行可用，然后再进行整个事务的恢复。

      如果一个事务获取了一行的行锁，那么也同样获取了所在表的表锁，表锁的作用是阻止冲突性地DDL操作。下面描述了更新表中的一行数据，即自动锁了行，又自动锁了表：

      下表解释了Oracle通过锁实现并发性。三个会话同时查询相同的行，会话1和会话2分别更新了不同行，但没有提交，而会话3没有做任何更新。每个会话都能看到它自己做的未提交更新，但不能看到其它会话的未提交更新。

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

UPDATE hr.employees
SET salary=salary+100  
WHERE employee_id=100;

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          612
101          600

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

UPDATE hr.employees  
SET salary=salary+100  
WHERE employee_id=101;

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          612
101          600

SELECT employee_id, 
salaryFROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          700

SELECT employee_id, 
salary FROM employees 
WHERE  employee_id
IN ( 100, 101 );

EMPLOYEE_ID  SALARY
-----------  ------
100          512
101          600

2)表锁（Table locks或TM）

      当事务通过insert, update, delete, merge, select ... for update修改数据时，或者直接用Lock table语句时，会对表加上TM锁。表锁有以下几种模式：

• Row share lock(RS, 行共享表锁)

      也叫subshare table lock(SS)，表明事务在这个表上锁住了一行，并且打算更新它们，RS锁是最小约束的锁，当然也是并发最高的锁

• Row Exclusive Table lock(RX，行排他表锁)

      也叫subexclusive table lock(SX)，表明表中有事务更新了行，或者执行select ... for update。一个SX锁允许其它事务同时查询、插入、更新、删除或者锁行。因此多个事务可以同时获取在同一个表上获取SS和SX锁。

• Share Table lock(S，共享表锁)

      一个事务持有了S锁，允许其它事务查询这个表（除了select ... for udpate），但更新操作只允许单个事务持有该锁时才可以。因为多个事务可能会并发持有这个锁，所以持有了这个锁并不代表这个事务就可以修改表。

• Share Row Exclusive Table lock(SRX， 共享行排他表锁)

      也叫share-subexclusive table lock(SSX)，比S锁的限制更多，一次只能有一个事务获取SSX锁，允许其它事务查询（除了select ... for update），不允许其它事务更新。

• Exclusive Table lock(X, 排他表锁)

      是最大限制的锁，禁止其它事务执行任何DML语句或设置任何类型的锁到这个表。

2.DDL锁

      当事务执行DDL操作需要DDL锁时，Oracle会自动获取，不需要显示获取。举例来说，如果用户正在创建一个存储过程，那么Oracle会自动获取这个存储过程所有引用到的schema objects上的DDL。这些DDL锁是为了防止在存储过程还没编译完成时，相关的对象就被删除或者修改结构了。

• Exclusive DDL locks(排他DDL锁)

      排他DDL锁，阻止其它会话获取DDL或DML锁。举例来说，DROP TABLE命令在执行是不允许ALTER TABLE的，反之亦然。

• Share DDL locks(共享DDL锁)

      共享DDL锁用于阻止与它冲突的DDL操作，但允许相似的DDL操作并发执行。举例来说，当执行CREATE PROCEDURE时，会获取到所有引用表的的共享DDL锁，其它事务也可以在相应的表上并发的CREATE PROCEDURE获取共享DDL锁，但不允许在被引用的表上获取DDL锁。

3.系统锁

      Oracle也提供了多种类型的系统锁来保护数据库和内存的内部结构，由于用户无法控制它们何时出现和持续多久，所以这些机制对用户来说几乎是不可见的。

• Latch(闩锁)

      Latch是低级别的串行化机制，它协调多个用户访问这些共享的数据结构、对象、文件。当多个进程读取一个共享内存资源时使用Latch保护其不受损坏。具体来说，Latch在以下情况保护数据结构：多个会话的并发修改、读取一个正在被别人修改的资源、当访问的时候，内存被释放。V$LATCH事务包含了每个latch的使用状态的详细信息，包括latch被请求和被等待的次数。

• Mutexes(互斥器)

      Mutex是Mutual exclusion object（互相排斥对象）的缩写，是低级别的锁，防止内存中的对象被并行访问时被换出或被损坏。Mutex和Latch很相似，但是一个Latch基本上保护一级object，而mutex保护单个object。

• Internal Locks(内部锁)

      内部锁是高级别的锁，比latch和mutex要复杂的多，用于各种场景。Oracle有以下几种类型的内部锁：字典缓存锁、文件和日志管理锁、表空间和undo段锁。这里就不详细介绍了。

三、手动锁

      Oracle除了保用自动锁外，还可以使用手动锁覆盖默认的锁机制。举例来说，事务中包含如下语句时会覆盖Oracle的默认锁：SET TRANSACTION ISOLATION LEVEL, LOCK TABLE, SELECT ... FOR UPDATE。

四、用户自定义锁

       可以通过DBMS_LOCK包调用锁管理服务，包含功能有请求指定类型的锁、给锁一个唯一名字、修改锁类型、锁释放等等。

      到此为止，Oracle中的数据并发与一致性就介绍完了，限于精力，有些没有展开介绍，各位感兴趣的话可以发邮件一起交流。

Oracle的数据并发与一致性详解（下）

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