Postgres中的SpinLock锁
我们知道，在数据库中为了并发控制，少不了要使用各种各样的锁(lock)。PostgreSQL中也不例外。
在PostgreSQL中有三种级别的锁，他们的关系如下：
|上层 RegularLock
|
| LWLock
|
|底层 SpinLock
那么按照顺序，我们先来讨论下PostgreSQL的最底层的SpinLock。
作为PostgreSQL的最底层的锁，SpinLock比较简单，它的特点是封锁时间很短，没有等待队列和死锁检测机制，在事务结束时不能自动释放。因此，SpinLock一般不单独使用，而是作为其他锁(LWLock)的底层实现。
作为最底层锁，它的实现是和操作系统和硬件环境相关的。为此，PostgreSQL实现了两个SpinLock：
-
与机器相关的实现，利用TAS指令集实现(定义在s_lock.h和s_lock.c中);
-
与机器无关，利用PostgreSQL定义的信号量PGSemaphore实现(定义在spin.c中)。
很显然，依赖机器实现的SpinLock一定比不依赖机器实现的SpinLock要快。因此，如果PostgreSQL运行的机器上如果支持TAS指令集，那么自然会采用第一种实现，否则只能使用第二种实现了。
关于SpinLock的动作，可以看下面这张图：
机器相关的实现###
我们，知道与机器相关的实现利用了TAS指令集。那么什么是TAS呢？
TAS是 Test and Set的缩写。是一个原子操作。它修改内存的值，并返回原来的值。当一个进程P1对一个内存位置做TAS操作，不允许其它进程P2对此内存位置再做TAS操作。P2必须等P1操作完成后，再做TAS操作。因此，该操作被用来实现进程互斥。
有了这个概念，我们来看源代码。
代码在：
src/include/storage/s_lock.h
src/backend/storage/lmgr/s_lock.c
虽然说了对于SpinLock有两个底层实现，但是在上层调用时，我们是使用统一的接口的，接口在src/backend/storage/lmgr/s_lock.c中：
/*
* s_lock(lock) - platform-independent portion of waiting for a spinlock.
*/
int
s_lock(volatile slock_t *lock, const char *file, int line, const char *func)
{
...
while (TAS_SPIN(lock)) //调用点
{
...
}
可以发现这个TAS_SPIN(lock)是一个宏，
#define TAS_SPIN(lock) TAS(lock)
当使用基于TAS指令集的锁时，有：
#define TAS(lock) tas(lock)
对机器的TAS的使用在函数tas()中。
static __inline__ int
tas(volatile slock_t *lock)
{
register slock_t _res = 1;
/*
* Use a non-locking test before asserting the bus lock. Note that the
* extra test appears to be a small loss on some x86 platforms and a small
* win on others; it's by no means clear that we should keep it.
*
* When this was last tested, we didn't have separate TAS() and TAS_SPIN()
* macros. Nowadays it probably would be better to do a non-locking test
* in TAS_SPIN() but not in TAS(), like on x86_64, but no-one's done the
* testing to verify that. Without some empirical evidence, better to
* leave it alone.
*/
__asm__ __volatile__(
" cmpb $0,%1 \n"
" jne 1f \n"
" lock \n"
" xchgb %0,%1 \n"
"1: \n"
: "+q"(_res), "+m"(*lock)
: /* no inputs */
: "memory", "cc");
return (int) _res;
}
可以看到这段在C语言中的内嵌汇编代码即是调用了机器的TAS指令。假设lock原来的值为“0”，当P1去做申请lock时，能获取得到锁。而此时P2再去申请锁时，必须spin，因为此时lock的值已经被P1修改为“1”了。
用TAS来实现spin lock,此处要注意volatile的使用。volatile表示这个变量是易失的，所以会编译器会每次都去内存中取原始值，而不是直接拿寄存器中的值。
这避免了在多线程编程中，由于多个线程更新同一个变更，内存中和寄存器中值的不同步而导致变量的值错乱的问题。另外，也会影响编译器的优化行为。
具体汇编代码的解析，可以查看相关资料。
在使用时，PostgreSQL不直接调用tas()函数，而是通过：
int s_lock(volatile slock_t *lock, const char *file, int line, const char *func);
来申请spin lock。返回值是等待的时间。
机器无关的实现###
如果机器上没有TAS指令集，那么PostgreSQL利用PGSemaphores来实现SpinLock。
PGSemaphore是使用OS底层的semaphore来实现的，PG对其做了封装，提供了PG系统内部统一的semaphore操作接口。PG的用PGSemaphore结构体表示PG自身的semaphore信号，并将相关操作封装在sembuf中，传递给底层OS。
实现代码在：
src/backend/storage/lmgr/spin.c
我们知道这个TAS_SPIN(lock)是SpinLock的抽象定义：
#define TAS_SPIN(lock) TAS(lock)
在不使用TAS的场合，有：
#define TAS(lock) tas_sema(lock)
即调用tas_sema(lock)函数实现SpinLock：
int
tas_sema(volatile slock_t *lock)
{
/* Note that TAS macros return 0 if *success* */
return !PGSemaphoreTryLock(&SpinlockSemaArray[*lock]);
}
对于信号量，PostgreSQL分别针对POSIX 信号量、SYSTEM V信号量和windows信号量进行了不同的实现，实现代码分别在：
src/backend/port/posix_sema.c
src/backend/port/sysv_sema.c
src/backend/port/win32_sema.c
我们这里以SYSTEM V信号量为例进行讲解。
PGSemaphoreTryLock的定义为：
bool
PGSemaphoreTryLock(PGSemaphore sema)
{
int errStatus;
struct sembuf sops; //重要！！！
sops.sem_op = -1; /* decrement */
sops.sem_flg = IPC_NOWAIT; /* but don't block */
sops.sem_num = sema->semNum;
/*
* Note: if errStatus is -1 and errno == EINTR then it means we returned
* from the operation prematurely because we were sent a signal. So we
* try and lock the semaphore again.
*/
do
{
errStatus = semop(sema->semId, &sops, 1);
} while (errStatus < 0 && errno == EINTR);
...
即调用了PGSemaphores来实现SpinLock。
而PGSemaphores的定义为：
typedef struct PGSemaphoreData
{
int semId; /* semaphore set identifier */
int semNum; /* semaphore number within set */
} PGSemaphoreData;
在利用system V信号量时，我们有：
struct sembuf
{
unsigned short int sem_num; /* semaphore number */
short int sem_op; /* semaphore operation */
short int sem_flg; /* operation flag */
};
PGSemaphoreTryLock中的while循环里就是执行了semop操作。
而这些操作是OS自带的操作(在<sys/sem.h>头文件中)：
extern int semop(int __semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops);
很明显，此处PostgreSQL封装了OS底层的system V 的semaphore，然后利用OS底层的系统函数来操作。
剩下两种信号量大抵如此，此处不多言。
共通的操作###
SpinLock是分两种情况来分别实现的。这是它们的不同，在Spinlock之上有一些共通的操作要说明下。对于SpinLock的获取，并不是每次都成功，当尝试获取时发现一个对象已经被lock时，当前线程不会阻塞在改锁上，而是先spin(自旋)一定的次数之后再sleep一定的时间后尝试再次获取。对于每次spin之后的sleep时间，PostgreSQL使用了自适应算法，来决定spin的次数和每次spin后，sleep的时间。
下面两个变量要注意下：
spins_per_delay
该变量表示spin多少次后，开始sleep。默认为100，最大值为1000，最小值为10。
spins_per_delay的值基本上不变；但是cur_delay的值为当前值1倍和2倍之间变动。因此，spin delay次数越多，sleep时间会越长。
还有一个变量：
cur_delay
当前sleep的时间，最大值为1000，最小值为1。单位为ms。
小结###
本文讨论了关于PostgreSQL的SpinLock实现以及相关函数。SpinLock是PostgreSQL的最底层的锁，它的主要作用是为上层的锁提供支持。本文SpinLock就聊到这里，下次我们来聊PostGreSQL的LWLock和RegularLock。
注：本文还参考了这篇文章,在此表示感谢。
