簡(jiǎn)單介紹SQL Server里的閂鎖

在今天的文章里我想談下SQL Server使用的更高級(jí)的，輕量級(jí)的同步對(duì)象：閂鎖（Latch）。閂鎖是SQL Server存儲(chǔ)引擎使用輕量級(jí)同步對(duì)象，用來(lái)保護(hù)多線程訪問(wèn)內(nèi)存內(nèi)結(jié)構(gòu)。文章的第1部分我會(huì)介紹SQL Server里為什么需要閂鎖，在第2部分我會(huì)給你介紹各個(gè)閂鎖類型，還有你如何能對(duì)它們進(jìn)行故障排除。

為什么我們需要閂鎖？
閂鎖首次在SQL Server 7.0里引入，同時(shí)微軟首次引入了行級(jí)別鎖（row-level locking）。對(duì)于行級(jí)別鎖引入閂鎖的概念是非常重要的，不然的話在內(nèi)存中會(huì)出現(xiàn)丟失更新（Lost Updates）的現(xiàn)象。如我所說(shuō)的，閂鎖是存儲(chǔ)引擎使用的輕量級(jí)同步對(duì)象，是SQL Server用來(lái)保護(hù)內(nèi)存結(jié)構(gòu)的。閂鎖只不過(guò)是類似于多線程編程里的所謂的臨界區(qū)（Critcal Section）概念。

在傳統(tǒng)并發(fā)編程里，臨界區(qū)是同時(shí)只能一個(gè)線程運(yùn)行的代碼。閂鎖本身是個(gè)臨界區(qū)的特殊版本，因?yàn)樗试S多個(gè)并發(fā)讀操作。在SQL Server的上下文里這意味著多個(gè)線程可以并發(fā)讀取一個(gè)共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如內(nèi)存中的頁(yè)，但是寫入共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須是單個(gè)線程進(jìn)行。

閂鎖是用來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)庫(kù)里多個(gè)線程物理執(zhí)行，然而鎖是基于選擇的事務(wù)隔離級(jí)別，用來(lái)邏輯獲得需要的隔離級(jí)別。作為開發(fā)者或DBA的你，你可以用不同方式影響鎖——例如通過(guò)SQL Server里的隔離級(jí)別，或者通過(guò)各種可用鎖提示。另一方面閂鎖是不能以直接方式控制的。在SQL Server里沒有閂鎖提示，也沒有可用閂鎖隔離級(jí)別。下表是鎖和閂鎖之間的比較：

　　　　　　　　         鎖（Locks）　　　　　　　　　閂鎖（Latches）

控制……　　　　　       　事務(wù)　　　　　　　　　　　　　　線程
保護(hù)……　　　　          數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容　　　　　　　　　　內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
模式……　　　　         共享的（Shared），　　　　　　保持（Keep），
　　　　　　　　         更新（Update），　　　　　　   共享的（Shared），

　　　　　　　　         排它的（Exclusive），　　　　　更新（Update），排它的（Exclusive），

　　　　　　　　         意向的（Intension）　　　　　　銷毀（Destroy）

死鎖……　          檢測(cè)并解決（detectionresolution）　　通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)代碼來(lái)避免
保持在……　　鎖管理器的哈希表（Hashtable）　　 保護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Protected Data Structure）
從表里可以看到，閂鎖支持更細(xì)粒度保持（Keep）和銷毀（Destroy）模式。保持閂鎖主要用來(lái)引用計(jì)數(shù)，例如當(dāng)你想知道在指定閂鎖上有多少其它閂鎖在等待。銷毀閂鎖是最有限制的一個(gè)（它甚至?xí)枞３珠V鎖），當(dāng)閂鎖被銷毀時(shí)會(huì)用到，例如當(dāng)惰性寫入器（Lazy Writer）想要釋放內(nèi)存中的頁(yè)時(shí)。我們先介紹下各種閂鎖模式，然后說(shuō)下各個(gè)閂鎖模式的兼容性。

NL（空閂鎖）：

                   內(nèi)部
                   未使用

KP（保持閂鎖）：

                   可以由多個(gè)任務(wù)同時(shí)持有
                   只被一個(gè)DT模式的閂鎖阻塞

SH（共享閂鎖）：

                  讀取數(shù)據(jù)頁(yè)的時(shí)候使用
                   可以由多個(gè)任務(wù)同事持有
                  阻塞EX模式和DT模式的閂鎖

UP（更新閂鎖）：

                  寫入系統(tǒng)分配頁(yè)面和tempdb的行版本化頁(yè)面時(shí)使用
                 一個(gè)這種模式的閂鎖只能被一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)持有

EX（排它閂鎖）：

                   寫入數(shù)據(jù)頁(yè)的時(shí)候使用
                   一個(gè)這種模式的閂鎖只能被一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)持有

DT（銷毀閂鎖）：

                  很少使用
                  一個(gè)這種模式的閂鎖只能被一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)持有

在SQL Server里，一致性不能只用鎖來(lái)獲得。SQL Server還是可以訪問(wèn)沒被鎖管理器保護(hù)的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如頁(yè)頭。還有SQL Server基于閂鎖基礎(chǔ)的其他組件也是，有單線程代碼路徑。好了，我們繼續(xù)講解SQL Server里的各種閂鎖類型，還有如何對(duì)它們進(jìn)行故障排除。

閂鎖類型與故障排除
SQL Server區(qū)分3個(gè)不同閂鎖類別

                   IO閂鎖
                 緩沖區(qū)閂鎖（BUF）
                 非緩沖區(qū)閂鎖（Non-BUF）

我們來(lái)詳細(xì)看下這3個(gè)不同類別。當(dāng)在緩沖池的頁(yè)讀寫操作未完成——即當(dāng)你讀自/寫入你的存儲(chǔ)子系統(tǒng)時(shí)（2者未同步），SQL Server會(huì)使用IO閂鎖（I/O Latches）。對(duì)于這些I/O閂鎖，SQL Server在統(tǒng)計(jì)信息里以PAGEIOLATCH_為前綴出現(xiàn)。你可以在DMV sys.dm_os_wait_stats 查看下這些閂鎖類型的等待。

使用這些閂鎖，SQL Server保證那些頁(yè)不會(huì)并發(fā)多次讀入緩存池，那些頁(yè)也不會(huì)從緩存池忽略，在那些頁(yè)需要被查詢?cè)L問(wèn)的時(shí)候。

除這些I/O閂鎖外，SQL Server也支持所謂的緩存區(qū)閂鎖（Buffer Latches），它用來(lái)保護(hù)緩沖池里頁(yè)不會(huì)被并發(fā)運(yùn)行的線程影響。這些閂鎖，SQL Server使用它們來(lái)阻止內(nèi)存中的丟失更新（Lost Updates）。沒有這類閂鎖，在緩存池里會(huì)有并發(fā)的讀寫頁(yè)，它們會(huì)引發(fā)主內(nèi)存里頁(yè)的損壞。對(duì)于這些緩存閂鎖，SQL Server在統(tǒng)計(jì)信息里以PAGELATCH_為前綴出現(xiàn)。你可以在DMV sys.dm_os_wait_stats 查看下這些閂鎖類型的等待。這里最重要的是你涉及了主內(nèi)存的競(jìng)爭(zhēng)，因?yàn)樗麄兊牡却愋兔Q里不包含IO字樣。

最后SQL Server內(nèi)部使用所謂的非緩存區(qū)閂鎖（Non-Buffer Latches）來(lái)保護(hù)除緩沖池外的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于這些非緩存閂鎖，SQL Server在統(tǒng)計(jì)信息里以LATCH_為前綴出現(xiàn)。你可以在DMV sys.dm_os_wait_stats 查看下這些閂鎖類型的等待。

但在這個(gè)DMV里這些對(duì)于非緩存區(qū)閂鎖的等待只是SQL Server內(nèi)部使用的各個(gè)閂鎖的概況信息，你可以在單獨(dú)的DMV sys.dm_os_latch_stats找到更詳細(xì)的信息。

SQL Server 2014內(nèi)部使用163個(gè)閂鎖來(lái)同步共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)。其中一個(gè)著名的閂鎖是FGCB_ADD_REMOVE，它用來(lái)保護(hù)文件組的文件組控制阻塞（ File Group Control Block （FGCB）），在以下特定操作期間：

        文件增長(zhǎng)（手動(dòng)或自動(dòng)）
       增加/刪除文件組文件
       重新計(jì)算填充比重（Recalculating proportional fill weightings）
       在循環(huán)分配期間，通過(guò)文件組的文件回收。
當(dāng)你看到這個(gè)閂鎖排在前列是，你肯定有太多自動(dòng)增長(zhǎng)操作的問(wèn)題，原因是你數(shù)據(jù)庫(kù)糟糕的默認(rèn)配置。當(dāng)查詢嘗試讀/寫保護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)且需要等待一個(gè)閂鎖時(shí)，查詢就會(huì)進(jìn)入掛起狀態(tài)，直到閂鎖可以成功獲取。因此查詢經(jīng)過(guò)的整個(gè)查詢生命周期包括運(yùn)行（RUNNING），掛起（SUSPENDED），可運(yùn)行（RUNNABLE），最后再次運(yùn)行（RUNNING）。因此，當(dāng)查詢長(zhǎng)時(shí)間把持閂鎖時(shí)，強(qiáng)制共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保護(hù)才有意義。那是因?yàn)楦淖儾樵儬顟B(tài)也意味著進(jìn)行Windows系統(tǒng)里的上下文切換，依據(jù)引入的CPU周期是個(gè)很昂貴的操作。

因此對(duì)于讀寫頻繁或極短時(shí)間內(nèi)的共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上放上閂鎖沒有意義。在這個(gè)情況下，需要的上下文切換會(huì)殺死SQL Server的整體性能，它需要花費(fèi)太多的時(shí)間來(lái)完成整個(gè)查詢生命周期（運(yùn)行（RUNNING），掛起（SUSPENDED），可運(yùn)行（RUNNABLE））。那就是是SQL Server引入的所謂自旋鎖(Spinlocks)。鎖管理器就是這樣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好例子：當(dāng)鎖定或解鎖數(shù)據(jù)對(duì)象（例如記錄，頁(yè)等）時(shí)只需要單個(gè)線程訪問(wèn)。但當(dāng)你查看sys.dm_os_latch_stats時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)沒有閂鎖保護(hù)鎖管理器本身。鎖管理器使用的哈希表里對(duì)應(yīng)的哈希桶使用自旋鎖來(lái)保護(hù)——LOCK_HASH自旋鎖。通過(guò)鎖管理器執(zhí)行鎖定和解鎖操作前，必須獲得自旋鎖。

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