深入 `InnoDB` 的 `Locking Subsystem`：`Lock Struct`、`Wait Struct` 和 `Lock Heap` 的内部结构。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

InnoDB Locking Subsystem 内幕：Lock Struct、Wait Struct 与 Lock Heap

大家好，今天我们深入探讨 InnoDB 存储引擎的锁定子系统，聚焦于三个核心概念：Lock Struct、Wait Struct 和 Lock Heap。理解这些内部结构对于优化数据库性能、诊断死锁问题至关重要。

1. Lock Struct：锁的本质

Lock Struct 是 InnoDB 中用于表示一个锁的核心数据结构。它包含了锁的类型、锁定的对象、以及持有或等待该锁的事务信息。简单来说，Lock Struct 定义了“谁在什么对象上持有或等待什么类型的锁”。

让我们看一下 Lock Struct 的主要成员变量（简化版，实际的定义更复杂）：

成员变量	数据类型	描述
`lock_mode`	`enum`	锁的模式，如 `LOCK_IS` (意向共享锁), `LOCK_IX` (意向排他锁), `LOCK_S` (共享锁), `LOCK_X` (排他锁), `LOCK_REC_NOT_GAP` (记录锁，但允许间隙锁) 等。
`lock_type`	`enum`	锁的类型，如 `LOCK_TABLE` (表锁), `LOCK_REC` (记录锁)。
`lock_trx`	`trx_t*`	指向持有或等待该锁的事务的指针。`trx_t` 结构体包含了事务的各种信息，如事务ID、状态等。
`lock_table`	`dict_table_t*`	如果是表锁，则指向被锁定的表。`dict_table_t` 结构体包含了表的元数据信息。
`lock_index`	`dict_index_t*`	如果是记录锁，且锁定了索引记录，则指向索引。`dict_index_t` 结构体包含了索引的元数据信息。
`lock_rec_lock`	`ulint*`	如果是记录锁，则指向被锁定的记录的锁定信息（`lock_word`）。`lock_word` 实际上是一个位图，用于表示记录上持有的锁的类型。
`lock.next`	`lock_t*`	指向链表中下一个 `Lock Struct` 的指针。用于将相同对象上的锁链接在一起。

代码示例 (伪代码)：

typedef struct lock_struct_t {
  enum lock_mode_t lock_mode;
  enum lock_type_t lock_type;
  trx_t* lock_trx;
  dict_table_t* lock_table;
  dict_index_t* lock_index;
  ulint* lock_rec_lock;  // Pointing to the lock_word in the record
  struct lock_struct_t* next;
} lock_t;

// 创建一个新的 Lock Struct
lock_t* lock_create(enum lock_mode_t mode, enum lock_type_t type, trx_t* trx,
                     dict_table_t* table, dict_index_t* index, ulint* rec_lock) {
  lock_t* lock = (lock_t*)malloc(sizeof(lock_t));
  if (lock == NULL) {
    // Handle memory allocation failure
    return NULL;
  }
  lock->lock_mode = mode;
  lock->lock_type = type;
  lock->lock_trx = trx;
  lock->lock_table = table;
  lock->lock_index = index;
  lock->lock_rec_lock = rec_lock;
  lock->next = NULL;
  return lock;
}

这个伪代码展示了 Lock Struct 的基本结构和创建过程。注意，lock_rec_lock 指向了记录的 lock_word，这是实现记录锁的关键。

2. Wait Struct：等待的艺术

当一个事务尝试获取一个已经被其他事务持有的锁时，该事务就会进入等待状态。Wait Struct 用于表示这种等待关系，它记录了哪个事务在等待哪个锁。

Wait Struct 的主要成员变量（简化版）：

成员变量	数据类型	描述
`wait_trx`	`trx_t*`	指向正在等待锁的事务的指针。
`wait_lock`	`lock_t*`	指向被等待的 `Lock Struct` 的指针。
`wait_state`	`enum`	等待状态，如 `WAIT_ACTIVE` (正在等待), `WAIT_RESOLVED` (等待已解决，锁已授予或等待超时) 等。
`next_wait`	`wait_t*`	指向链表中下一个 `Wait Struct` 的指针。用于将同一个事务等待的多个锁链接在一起。

代码示例 (伪代码)：

typedef struct wait_struct_t {
  trx_t* wait_trx;
  lock_t* wait_lock;
  enum wait_state_t wait_state;
  struct wait_struct_t* next_wait;
} wait_t;

// 创建一个新的 Wait Struct
wait_t* wait_create(trx_t* trx, lock_t* lock) {
  wait_t* wait = (wait_t*)malloc(sizeof(wait_t));
  if (wait == NULL) {
    // Handle memory allocation failure
    return NULL;
  }
  wait->wait_trx = trx;
  wait->wait_lock = lock;
  wait->wait_state = WAIT_ACTIVE;
  wait->next_wait = NULL;
  return wait;
}

当一个事务尝试获取锁失败时，InnoDB 会创建一个 Wait Struct，并将其添加到事务的等待队列中。同时，该 Wait Struct 也被添加到被等待的 Lock Struct 的等待者列表中。

3. Lock Heap：锁的管理中心

Lock Heap 是 InnoDB 用于管理 Lock Struct 和 Wait Struct 的内存区域。它类似于一个堆，用于动态分配和释放这些结构体。

InnoDB 使用一个或多个 Lock Heap 来存储锁信息。多个 Lock Heap 可以提高并发性，减少锁竞争。

Lock Heap 的管理涉及以下几个关键操作：

分配 Lock Struct 和 Wait Struct： 从 Lock Heap 中分配内存，创建新的锁和等待结构体。
释放 Lock Struct 和 Wait Struct： 当锁被释放或等待被解决时，将对应的结构体释放回 Lock Heap。
管理内存碎片： Lock Heap 需要处理内存碎片问题，以确保高效的内存利用率。

虽然我们无法直接看到 Lock Heap 的内部实现（因为它涉及到 InnoDB 的内存管理机制），但我们可以理解其作用：它为 Lock Struct 和 Wait Struct 提供了存储空间，是锁定子系统正常运行的基础。

4. 三者之间的关系：协同工作

Lock Struct、Wait Struct 和 Lock Heap 共同构建了 InnoDB 的锁定子系统。它们之间的关系如下：

Lock Struct 表示锁本身： 它记录了锁的类型、锁定对象以及持有锁的事务。
Wait Struct 表示等待关系： 当一个事务无法立即获取锁时，会创建一个 Wait Struct 来记录它正在等待哪个锁。
Lock Heap 提供内存管理： 它负责分配和释放 Lock Struct 和 Wait Struct，确保锁定子系统有足够的内存可用。

流程示例：

事务 A 尝试获取表 T 上的排他锁。
如果表 T 上没有其他事务持有锁，则 InnoDB 会在 Lock Heap 中分配一个 Lock Struct，记录事务 A 持有表 T 上的排他锁。
事务 B 尝试获取表 T 上的共享锁。
由于事务 A 已经持有表 T 上的排他锁，事务 B 无法立即获取锁。
InnoDB 会在 Lock Heap 中分配一个 Wait Struct，记录事务 B 正在等待事务 A 持有的表 T 上的排他锁。
当事务 A 释放表 T 上的排他锁时，InnoDB 会检查是否有事务在等待该锁。
发现事务 B 正在等待，InnoDB 会将锁授予事务 B，并释放事务 B 的 Wait Struct。
事务 B 现在持有表 T 上的共享锁，InnoDB 会更新 Lock Struct 的信息。

5. 代码示例：模拟锁的获取和释放 (简化版)

以下代码使用 C++ 模拟了锁的获取和释放过程，展示了 Lock Struct 和 Wait Struct 的使用。请注意，这只是一个简化的示例，实际的 InnoDB 实现远比这复杂。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <mutex>

enum LockMode {
  LOCK_S,
  LOCK_X
};

struct Transaction {
  int id;
};

struct Lock {
  LockMode mode;
  Transaction* trx;
  // 实际场景中，这里还会包含锁定的对象信息，例如表名、行ID等
};

struct Waiter {
  Transaction* trx;
  Lock* lock;
};

class LockManager {
public:
  bool acquireLock(Transaction* trx, LockMode mode) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);

    // 检查是否存在冲突的锁
    for (const auto& existingLock : locks_) {
      if (isConflict(existingLock, mode)) {
        // 创建一个 Waiter 并加入等待队列
        Waiter waiter = {trx, &existingLock};
        waiters_.push_back(waiter);
        std::cout << "Transaction " << trx->id << " is waiting for lock." << std::endl;
        return false; // 获取锁失败
      }
    }

    // 没有冲突的锁，创建新的锁
    Lock newLock = {mode, trx};
    locks_.push_back(newLock);
    std::cout << "Transaction " << trx->id << " acquired lock." << std::endl;
    return true; // 获取锁成功
  }

  void releaseLock(Transaction* trx) {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex_);

    // 找到并移除事务持有的锁
    for (auto it = locks_.begin(); it != locks_.end(); ++it) {
      if (it->trx == trx) {
        std::cout << "Transaction " << trx->id << " released lock." << std::endl;
        locks_.erase(it);

        // 唤醒等待的事务 (简化版，只唤醒第一个等待者)
        if (!waiters_.empty()) {
          Waiter& waiter = waiters_.front();
          if (waiter.lock->trx == trx) { // 确保唤醒的是等待该锁的事务
             std::cout << "Waking up transaction " << waiter.trx->id << std::endl;
             locks_.push_back({waiter.lock->mode, waiter.trx}); // 授予锁
             waiters_.erase(waiters_.begin());
          }

        }
        return;
      }
    }
  }

private:
  bool isConflict(const Lock& existingLock, LockMode requestedMode) {
    if (existingLock.mode == LOCK_X || requestedMode == LOCK_X) {
      return true; // 排他锁与其他任何锁都冲突
    }
    return false; // 共享锁与共享锁不冲突
  }

  std::vector<Lock> locks_;
  std::vector<Waiter> waiters_;
  std::mutex mutex_; // 用于保护锁列表和等待队列
};

int main() {
  LockManager lockManager;

  Transaction trx1 = {1};
  Transaction trx2 = {2};

  // 事务 1 获取排他锁
  lockManager.acquireLock(&trx1, LOCK_X);

  // 事务 2 尝试获取共享锁，将会进入等待状态
  if (!lockManager.acquireLock(&trx2, LOCK_S)) {
    // 获取锁失败，事务 2 进入等待状态
  }

  // 事务 1 释放锁，将会唤醒事务 2
  lockManager.releaseLock(&trx1);

  // 事务 2 现在应该持有锁
  // ...

  return 0;
}

这个示例演示了锁的获取、释放以及等待队列的基本流程。虽然代码量不多，但它能帮助你理解 Lock Struct 和 Wait Struct 在实际场景中的作用。

6. 死锁检测与避免

理解了 Lock Struct 和 Wait Struct 的结构，有助于我们理解死锁检测的原理。InnoDB 使用 Wait-For Graph 来检测死锁。Wait-For Graph 是一种有向图，其中节点表示事务，边表示等待关系。如果 Wait-For Graph 中存在环，则表示存在死锁。

InnoDB 会定期检查 Wait-For Graph，如果发现死锁，则会选择一个事务回滚，以打破死锁。选择哪个事务回滚通常基于事务的 "代价"，例如事务执行的时间、修改的数据量等。

避免死锁的一些常见方法：

按相同的顺序获取锁： 确保所有事务都按照相同的顺序获取锁，可以避免循环等待。
尽量减少锁的持有时间： 尽快释放不再需要的锁，可以减少锁冲突的可能性。
使用较低的隔离级别： 较低的隔离级别通常会减少锁的使用，但也可能导致数据一致性问题。
使用 LOCK TABLES 命令： 在某些情况下，可以使用 LOCK TABLES 命令显式地锁定表，以避免并发问题。但是，LOCK TABLES 会阻塞其他事务对表的访问，因此应该谨慎使用。

7. 总结：锁定机制的核心组件

深入了解 InnoDB 的锁定子系统，特别是 Lock Struct、Wait Struct 和 Lock Heap 的内部结构，有助于我们更好地理解数据库的并发控制机制。这不仅可以帮助我们优化数据库性能，还能让我们在遇到死锁等问题时，能够更有效地进行诊断和解决。

InnoDB Locking Subsystem 内幕：Lock Struct、Wait Struct 与 Lock Heap

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