【SQLite数据库】SQLite之封锁机制

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一.概述

     SQLite虽然是一个轻量的嵌入式数据库，但这并不影响它支持事务。所谓支持事务，即需要在并发环境下，保持事务的ACID特性。事务的原子性，隔离性都需要通过并发控制来保证。那么Sqlite的并发控制是怎样的，如何实现，在这里跟大家分享下我的理解。

     SQLite是一个文件数据库，所有的数据都在一个db文件中，对于wal模式，还包含wal索引文件和wal日志文件。SQlite支持库级并发，即允许多个读事务同时运行，同一时刻最多只有一个写事务，读写冲突，相对于传统的DBMS支持表级，行级甚至MVCC，SQLite的库级并发确实显得比较寒碜。但是锁粒度越细，意味着维护锁的成本越高，系统也会越复杂，因此SQLite的封锁机制要简单很多，对资源的消耗也非常少。SQLite 3.7版本后，对并发控制做了优化，推出了WAL日志模式，可以实现读写并发，但同一个时刻仍然只能有一个写事务。由于SQLite的实现方式，SQLite只支持两种隔离级别，串行化和读未提交。读未提交，就是读全程不上锁；串行化在事务开启时上读锁，上锁和释放锁同样遵守两阶段锁协议，在事务提交或回滚时才释放锁。

文件锁

     要说清楚SQLite锁实现机制，首先要了解文件锁，因为SQLite所有锁实现都是基于文件锁。对于Linux系统，文件锁主要包含两类，协同锁和强制锁，协同锁类似于互斥量，需要参与者都遵守游戏规则，在操作文件前，都先上锁，而强制锁由OS内核强制实行。协同锁根据锁粒度分为文件级别和范围级别。锁文件是最简单的对文件加锁的方法，每个需要加锁的数据文件都有一个锁文件（lock file）。当锁文件存在时，就认为该数据文件已经被加锁，别的进程不应该访问。当锁不存在，进程就可以创建一个锁文件，然后访问相应的数据文件。只要创建锁的过程是原子的，就能保证某一时刻只有一个进程拥有该锁，这种方法保证某一时刻只有一个进程访问文件。文件锁的弊端显而易见，并发粒度太低。范围锁相对于文件锁，可以锁文件的一部分内容，并且有读锁和写锁。对于同一部分内容，读锁可以共存，读锁和写锁互斥。POSIX标准提供接口fcntl()来实现。

锁类型   

       SQLite中的锁正是利用了范围锁来实现并发控制的目的。SQLite中主要包含了4种锁：共享锁(SHARED_LOCK)、保留锁(RESERVED_LOCK)、未决锁(PENDING_LOCK)和排它锁(EXCLUSIVE_LOCK)，这4种锁定义了3个区域，其中共享锁和排它锁占用文件相同的区域。具体而言，SQLite定义了文件的以下区域为锁文件区域，由于fcntl可以对不存在的文件区域加锁，因此 PENDING_BYTE定位在区域1G的地方，即使DB文件没这么大也不影响。三种类型的锁，分别在1G，1G+1，1G+2的偏移处，之所以SHARED_SIZE长度是510，原因在于windows环境下，LockFile()加锁区域不能重叠(Linux没有这种问题)，对于同一个字节上锁会影响并发，因此设置了一个范围，对SHARED_FIRST—SHARED_FIRST+ SHARED_SIZE范围内的随机数进行加锁，这样可以减少冲突，保证高效的读取文件。具体锁类别和说明参见表1 

锁类别	字节范围	说明
PENDING_BYTE	0x40000000	一种过渡锁，读事务获取读锁，写事务获取写锁前，都需要获取该锁。
RESERVED_BYTE	0x40000001	表示线程要开始写操作，某一时刻只能有一个RESERVED Lock，但是RESERVED锁和SHARED锁可以共存，而且可以对数据库加新的SHARED锁。
SHARED_LOCK	0x40000002-0x40000200	共享锁，开启事务时，都需要获取该锁
EXCLUSIVE_LOCK	0x40000002-0x40000200	排它锁

                                                       　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表1

        从各个锁的作用来看，不免会疑问，为啥要加上RESERVED_LOCK和PENDING_LOCK两种类型，直接通过共享锁和排它锁不就可以达到读读共享，读写互斥的目的了吗。这里引入这Reserved锁的目的是为了提高并发。由于SQLite只有库级排斥锁（EXCLUSIVE LOCK），如果写事务一开始就上EXCLUSIVE锁，然后再进行实际的数据更新，写磁盘操作，这会使得并发性大大降低。而SQLite一旦得到数据库的RESERVED锁，就可以对缓存中的数据进行修改，而与此同时，其它进程可以继续进行读操作。直到真正需要写磁盘时才对数据库加EXCLUSIVE锁。Pending锁的作用主要是为了防止写饿死的情况，写事务获取Pending锁后，新的读事务无法再进来，然后再加EXCLUSIVE锁，这样写事务获取锁的几率大大提高，读写事务的流程如下表2，状态变迁图如图1。

类型	操作	锁信息	说明
读事务	begin		不持有锁
	select c1 from user where id=1	Lock: Pending(Read) Lock:Shared(Read) Unlock:Pending	获取Shared读锁前，需要先获取Pending共享锁， 通过这种方式与写事务互斥。
	commit	UnLock:Shared
写事务	begin
	Update c1=c1+1 where id=1	Lock: Pending(Read) Lock:Shared Unlock:Pending Lock:Reserved(Write)	先获取Shared读锁，然后获取Reserved的排它锁，阻止其它写事务
	commit	Lock:Pending(Write) Lock:Exclusive(Write) Unlock: Pending Unlock: Exclusive(Write)	获取Pending的排它锁，阻止新的读事务，最后上排它锁，阻止所有读事务，读写不能并发 Pending锁方式好处是，减少写饿死的几率。

                                                      　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 表2

 

      图1

二.Wal锁类型

      引入WAL机制后，SQLite开始支持读写并发，并且引入了WAL日志文件锁。WAL日志锁实质是锁wal-index文件的区域，根据不同的锁类型，将wal-index文件的不同区域划定义成不同的锁，主要有读锁，写锁，检查点锁，具体如表3，4。WAL模式下，最新的数据位于日志文件中，无论是读事务还是写事务都需要持有WAL_READ_LOCK的读锁，因为它们都需要获取最新的事务点。因此，做检查点时，可以通过对WAL_READ_LOCK位置(124-127)上锁，来确定检查点需要等待还是停止推进。同时我们也可以看到，对于DB文件，读写事务都只需要对DB文件上读锁，对于WAL日志文件，WAL_READ_LOCK和WAL_WRITE_LOCK位于不同的位置，读写相互不影响，所以读写不互斥。 

锁类别			字节范围	说明
读事务(WAL)	begin
	select c1 from user where id=1	DB文件： Lock: Pending(Read) Lock:Shared Unlock:Pending WAL文件： Lock：WAL_READ_LOCK(Read)			除了获取DB文件锁，还需要获取WAL锁，得到最新提交事务的位点。 若有事务再作检查点，需要重试多次。
	commit	Unlock：WAL_READ_LOCK Unlock：Shared
写事务(WAL)	begin
	Update c1=c1+1 where id=1	DB文件： Lock: Pending-Read Lock:Shared(Read) Unlock:Pending WAL文件： Lock：WAL_READ_LOCK(Read) Lock：WAL_WRITE_LOCK(Write)			通过 EXCLUSIVE-WRITE-LOCK控制写写并发 由于不操作DB文件，因此不存在读写冲突，读写可以并发。
	commit	WAL文件： Lock：SHARED-READ-LOCK Unlock：WAL_READ_LOCK(Read) Unlock： WAL_WRITE_LOCK(Write)   DB文件： Unlock：Shared			获取SHARED-READ-LOCK目的是为了获取最新提交日志的位点
检查点 操作 (WAL)		WAL文件： Lock：WAL_CKPT_LOCK(write) Lock：WAL_READ_LOCK(write) UnLock：WAL_READ_LOCK UnLock：WAL_CKPT_LOCK			EXCLUSIVE-CKPT-LOCK 保证只有一个写事务做检查点； WAL_READ_LOCK阻止读写事务。

                                                  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表3 

锁类别	字节范围	说明
WAL_WRITE_LOCK	120	写锁位置
WAL_CKPT_LOCK	121	检查点锁位置
WAL_RECOVER_LOCK	122	故障恢复锁位置
WAL_READ_LOCK	123	读锁(表示不需要wal文件)
	124-127	读锁(每个位置，对应一个锁) 做检查点时，逐一对每个位置上写锁，若上锁失败表示对应位置上的读事务没有结束，根据检查点策略确定是等待(FULL)，还是停止推进(PASSIVE)。

                                                 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4   

三.调试

     SQLite通过几个宏定义可以打印语句执行的锁信息，方便大家了解语句执行中加了哪些锁，什么时候加的，什么时候释放的，以及如何处理锁冲突。具体的宏包括SQLITE_LOCK_TRACE，SQLITE_FORCE_OS_TRACE，和SQLITE_DEBUG，具体可以在代码中查看宏定义的注释。

gcc sqlite3.c -g -lpthread -ldl -fPIC -shared -DSQLITE_TEST -DSQLITE_DEBUG -DSQLITE_LOCK_TRACE -DSQLITE_FORCE_OS_TRACE -o libsqlite3.so

参考文档

http://my.oschina.net/u/587236/blog/129022

http://www.cnblogs.com/hustcat/archive/2009/03/01/1400757.html