剖析 `InnoDB` `锁`队列的实现：`等待`线程的调度与唤醒机制。 - 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 锁队列：等待线程的调度与唤醒机制

大家好，今天我们来深入探讨 InnoDB 存储引擎中锁队列的实现，以及等待线程的调度与唤醒机制。锁是数据库并发控制的核心，而锁队列则是管理等待获取锁的线程的关键数据结构。理解锁队列的运作方式，对于优化数据库性能、排查死锁问题至关重要。

锁的类型与模式

在深入锁队列之前，我们需要先了解 InnoDB 中锁的类型和模式。 InnoDB 主要支持两种类型的锁：

行锁 (Row Lock): 锁定表中的特定行。
表锁 (Table Lock): 锁定整个表。

行锁又可以分为两种模式：

共享锁 (Shared Lock, S 锁): 允许持有锁的事务读取数据。多个事务可以同时持有同一行的共享锁。
排他锁 (Exclusive Lock, X 锁): 允许持有锁的事务修改数据。只有一个事务可以持有同一行的排他锁。

此外，InnoDB 还支持意向锁 (Intention Lock)，这是一种表级别的锁，用于表明事务打算在表中的行上施加共享锁或排他锁。意向锁分为：

意向共享锁 (Intention Shared Lock, IS 锁): 表明事务打算在表中的行上施加共享锁。
意向排他锁 (Intention Exclusive Lock, IX 锁): 表明事务打算在表中的行上施加排他锁。

意向锁的主要作用是提高并发性，避免在加行锁之前扫描整个表。

锁的兼容性矩阵如下表所示：

	X	S	IX	IS
X	冲突	冲突	冲突	冲突
S	冲突	允许	冲突	允许
IX	冲突	冲突	允许	允许
IS	冲突	允许	允许	允许

锁队列的结构

InnoDB 使用锁队列来管理等待获取锁的线程。锁队列通常与特定的资源 (例如，表或行) 相关联。当一个线程请求一个无法立即授予的锁时，它会被添加到与该资源关联的锁队列中。

锁队列的结构通常是一个链表，其中每个节点代表一个等待锁的线程。链表中的节点通常包含以下信息：

线程 ID (Thread ID): 等待锁的线程的唯一标识符。
锁类型 (Lock Type): 请求的锁的类型 (例如，S 锁或 X 锁)。
锁模式 (Lock Mode): 请求的锁的模式 (例如，行锁或表锁)。
等待时间 (Wait Time): 线程开始等待锁的时间。
优先级 (Priority): 线程的优先级，用于决定锁的授予顺序。
前驱节点 (Previous Node): 指向队列中前一个节点的指针。
后继节点 (Next Node): 指向队列中后一个节点的指针。
资源信息 (Resource Information): 描述锁定的资源的详细信息，例如表名、行 ID 等。

在代码层面，InnoDB 使用 lock_t 结构体来表示一个锁对象，其中包含了锁的类型、模式、资源信息以及锁队列的指针。等待锁的线程信息则存储在 lock_wait_t 结构体中，这个结构体会被添加到 lock_t 结构体维护的锁队列中。

以下是一个简化的 lock_t 和 lock_wait_t 结构体的示例：

// lock_t 结构体 (简化版)
struct lock_t {
  enum lock_mode_t mode; // 锁模式 (X, S, IS, IX)
  enum lock_type_t type; // 锁类型 (ROW, TABLE)
  // ... 其他锁相关信息 ...
  UT_LIST_BASE_NODE_T(lock_wait_t) wait_queue; // 等待锁的线程队列
};

// lock_wait_t 结构体 (简化版)
struct lock_wait_t {
  os_thread_id_t thread_id; // 等待锁的线程 ID
  lock_mode_t requested_mode; // 请求的锁模式
  // ... 其他等待锁相关信息 ...
  UT_LIST_NODE_T(lock_wait_t) list; // 链表节点
  lock_t* lock; // 指向关联的 lock_t 对象
};

锁的授予与等待

当一个线程请求锁时，InnoDB 首先检查该锁是否与现有锁冲突。如果没有冲突，则立即授予锁。否则，线程会被添加到锁队列中，并进入等待状态。

锁的授予过程通常如下：

检查锁的兼容性: 检查请求的锁与当前持有的锁是否兼容。
如果兼容: 立即授予锁，并将线程标记为持有锁。
如果不兼容:
- 创建一个 lock_wait_t 对象，包含等待锁的线程信息。
- 将 lock_wait_t 对象添加到与资源关联的 lock_t 对象的 wait_queue 中。
- 将线程置于等待状态 (例如，通过调用 os_event_wait() 函数)。

例如，以下代码片段展示了如何将一个等待锁的线程添加到锁队列中 (简化版)：

// 假设已经获得了保护锁队列的互斥锁
void enqueue_lock_wait(lock_t* lock, os_thread_id_t thread_id, lock_mode_t mode) {
  lock_wait_t* wait = new lock_wait_t;
  wait->thread_id = thread_id;
  wait->requested_mode = mode;
  wait->lock = lock;

  // 将 wait 对象添加到锁队列的末尾
  UT_LIST_ADD_LAST(wait_queue, lock->wait_queue, wait);

  // 将线程置于等待状态 (示例)
  os_event_wait(wait->event);
}

锁的唤醒机制

当一个线程释放锁时，InnoDB 会检查锁队列，并尝试唤醒等待锁的线程。唤醒机制的目标是选择一个或多个可以被授予锁的线程，并将其从等待状态中唤醒。

锁的唤醒过程通常如下：

检查锁队列是否为空: 如果锁队列为空，则没有线程等待锁，过程结束。
遍历锁队列: 从锁队列的头部开始，遍历等待锁的线程。
检查锁的兼容性: 对于每个等待锁的线程，检查其请求的锁与当前持有的锁 (如果有) 是否兼容。
如果兼容:
- 将该线程从锁队列中移除。
- 授予该线程锁。
- 唤醒该线程 (例如，通过调用 os_event_signal() 函数)。
如果找到多个兼容的线程 (例如，多个线程请求共享锁): 可以同时唤醒这些线程，以提高并发性。
如果遍历完锁队列，没有找到可以唤醒的线程: 过程结束。

以下代码片段展示了如何唤醒等待锁的线程 (简化版)：

// 假设已经获得了保护锁队列的互斥锁
void wake_up_waiting_threads(lock_t* lock) {
  lock_wait_t* wait = UT_LIST_GET_FIRST(lock->wait_queue);

  while (wait != nullptr) {
    if (is_lock_compatible(wait->requested_mode, lock->mode)) {
      // 移除 wait 对象
      UT_LIST_REMOVE(wait_queue, lock->wait_queue, wait);

      // 授予锁 (示例，需要根据实际情况实现)
      grant_lock(wait->thread_id, wait->requested_mode);

      // 唤醒线程 (示例)
      os_event_signal(wait->event);

      delete wait;
      wait = UT_LIST_GET_FIRST(lock->wait_queue); // 获取下一个等待线程
    } else {
      wait = UT_LIST_GET_NEXT(list, wait); // 获取下一个等待线程
    }
  }
}

优先级与公平性

锁队列的调度策略会影响等待线程的公平性和性能。 InnoDB 提供了不同的机制来控制锁的授予顺序，例如：

FIFO (First-In, First-Out): 按照线程进入锁队列的顺序授予锁。这是最简单的公平性策略。
优先级调度: 根据线程的优先级授予锁。高优先级的线程可以优先获得锁，即使它们后进入锁队列。
避免饥饿: 防止某些线程长时间无法获得锁。这可以通过增加等待时间过长的线程的优先级来实现。

InnoDB 默认使用 FIFO 策略，但也允许通过配置参数来调整锁的调度行为。

死锁检测与避免

死锁是指两个或多个线程相互等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行的情况。 InnoDB 实现了死锁检测机制，可以自动检测死锁并选择一个线程回滚，从而打破死锁。

死锁检测的过程通常如下：

构建等待图 (Wait-For Graph): 跟踪线程之间的等待关系。图中的节点代表线程，边代表线程之间的等待关系 (例如，线程 A 等待线程 B 释放锁)。
检测环路: 在等待图中查找环路。如果存在环路，则表示存在死锁。
选择牺牲者 (Victim): 选择一个线程回滚，以打破死锁。选择牺牲者的策略可以基于多种因素，例如线程的事务大小、等待时间等。
回滚牺牲者: 回滚选定的线程，释放其持有的锁。这将允许其他线程继续执行。

除了死锁检测之外，InnoDB 也提供了一些机制来避免死锁，例如：

一致的加锁顺序: 要求所有事务按照相同的顺序获取锁。
缩短事务的持有时间: 尽量减少事务持有锁的时间，以降低死锁的概率。
使用 LOCK TABLES 语句: 在事务开始时锁定所有需要访问的表，以避免在事务执行过程中发生死锁。

代码示例：模拟锁队列操作

以下是一个使用 C++ 模拟锁队列操作的简单示例。请注意，这只是一个演示示例，不包含完整的 InnoDB 锁管理机制。

#include <iostream>
#include <list>
#include <mutex>
#include <condition_variable>

class Lock {
public:
    enum Mode { SHARED, EXCLUSIVE };

    Lock() : locked_(false), mode_(SHARED) {}

    void lock(int thread_id, Mode mode) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        // 检查是否有冲突
        while (locked_ && (mode_ == EXCLUSIVE || mode == EXCLUSIVE)) {
            // 加入等待队列
            wait_queue_.push_back({thread_id, mode});
            std::cout << "Thread " << thread_id << " waiting for lock (Mode: " << (mode == SHARED ? "SHARED" : "EXCLUSIVE") << ")" << std::endl;
            cv_.wait(lock); // 进入等待状态
            wait_queue_.remove_if([thread_id](const auto& item) { return item.thread_id == thread_id && item.mode == SHARED; });
        }

        locked_ = true;
        mode_ = mode;
        holder_ = thread_id;
        std::cout << "Thread " << thread_id << " acquired lock (Mode: " << (mode == SHARED ? "SHARED" : "EXCLUSIVE") << ")" << std::endl;
    }

    void unlock(int thread_id) {
        std::unique_lock<std::mutex> lock(mutex_);
        if (locked_ && holder_ == thread_id) {
            locked_ = false;
            std::cout << "Thread " << thread_id << " released lock" << std::endl;
            // 唤醒等待线程
            cv_.notify_one();
        } else {
            std::cout << "Thread " << thread_id << " cannot release lock (not the holder)" << std::endl;
        }
    }

private:
    bool locked_;
    Mode mode_;
    int holder_;
    std::mutex mutex_;
    std::condition_variable cv_;
    struct Waiter {
        int thread_id;
        Mode mode;
    };
    std::list<Waiter> wait_queue_;
};

int main() {
    Lock my_lock;

    std::thread t1([&]() {
        my_lock.lock(1, Lock::EXCLUSIVE);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        my_lock.unlock(1);
    });

    std::thread t2([&]() {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500)); // 稍微延迟
        my_lock.lock(2, Lock::SHARED);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        my_lock.unlock(2);
    });
    std::thread t3([&]() {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(600)); // 稍微延迟
        my_lock.lock(3, Lock::EXCLUSIVE);
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        my_lock.unlock(3);
    });
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();

    return 0;
}

这个示例展示了一个简单的锁实现，包括 lock 和 unlock 方法，以及一个等待队列。当一个线程请求锁时，如果锁已经被其他线程持有，则该线程会被添加到等待队列中，并进入等待状态。当持有锁的线程释放锁时，会唤醒等待队列中的一个线程，使其获得锁。

锁队列的优化策略

InnoDB 使用了多种优化策略来提高锁队列的性能，例如：

哈希表: 使用哈希表来快速查找与特定资源关联的锁队列。
细粒度锁: 使用细粒度的锁来减少锁冲突，提高并发性。
自旋锁: 在短时间内尝试自旋等待锁，而不是立即进入等待状态。这可以减少上下文切换的开销。
批量唤醒: 一次唤醒多个可以被授予锁的线程，以提高并发性。

总结说明

我们讨论了 InnoDB 锁队列的实现，包括锁的类型、锁队列的结构、锁的授予与唤醒机制、优先级与公平性、死锁检测与避免以及锁队列的优化策略。理解 InnoDB 锁队列的运作方式对于优化数据库性能、排查死锁问题至关重要。掌握这些概念，有助于我们更好地理解数据库的并发控制机制，并编写出更高效、更稳定的应用程序。