cmu15545笔记-索引并发控制（Concurrent Indexes）
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Latch概览
Lock和Latch辨析
Lock：抽象的，逻辑的，整体统筹Latch：具体的，原语性的，自我管理
本节主要探讨Latch。
设计目标
- 内存占用少，无竞态时执行迅速
- 等待时间过长时取消调度
大致分类
- 自旋锁（Test-and-Set Spin Latch）
- 阻塞互斥锁（Blocking OS Mutex）
- 读写锁（Reader-Writer Latches）
| 特性 | Test-and-Set Spinlock | Blocking OS Mutex | Reader-Writer Locks |
|---|---|---|---|
| 实现 | 基于原子操作的自旋等待 | 操作系统级阻塞 | 允许多读单写 |
| 锁争用时的处理 | 自旋等待，消耗 CPU | 阻塞等待，减少 CPU 消耗 | 读操作可以并发，写操作排他 |
| 适用场景 | 短期锁、轻度锁争用 | 长期锁、重度锁争用 | 读多写少 |
| 优点 | 无上下文切换，性能高 | 避免自旋消耗，适合长时间等待 | 读写并发，适合读多写少 |
| 缺点 | CPU 资源消耗高，锁持有时间长时效率低 | 上下文切换开销较高 | 写者饥饿问题 |
C++中的mutex -> pthread -> Linux futex(fast user mutex)：先在用户空间用自旋锁，如果获取不到锁，陷入内核态调用阻塞锁进入阻塞队列。
Hash Table Latches
两种粒度：Page Latches和Slot Latches
Page Latches
- T1给page1上读锁，T2等待（如左上图）
- T1查看page2无读锁，给page2上读锁，释放page1读锁；T2访问page1，上写锁（如右上图）
- T2访问page2，但由于有T1读锁，等待（如左下图）
- T1释放page2读锁，T2结束等待，给page2上写锁，写入
E|val（如右下图）
Slot Latches
整体过程和Page Latches类似，只不过粒度变了。
- T1给Slot A上读锁，T2给Slot C上写锁
- T1访问Slot C，但是由于有T2的写锁，释放Slot A写锁，在C等待（如左上图）
- T2访问Slot D，释放Slot C写锁，给Slot D上写锁；T1可以访问Slot C，上读锁（如右上图）
- 重复上述两个步骤（左下图和右下图）
B+Tree Latches
并发问题
相比于哈希表，B+树并发的难点在于树的结构会发生分裂或合并。
- T1找到了需要删除的值44（如左上图）
- 删除了值44，此时需要偷（steal）左兄弟的值41进行合并，保证叶子结点半满，但是T1被调度，进入休眠（如右上图）
- T2找到了需要删除的值41，准备读取值41，但是此时T2被调度，进入休眠（如左下图）
- T1唤醒，进行结点合并，41移动到了新的位置
- T2被唤醒，读取41，但是数据已经被移动（如右下图）
Latch Crabbing/Couping
具体步骤：
- 得到父结点的锁
- 得到子结点的锁
- 如果子结点是安全的，释放之前的锁，否则不释放
- 安全的定义：
- 对于查询：不做要求
- 对于插入：不满
- 对于删除：多于半满
例：查询
例：删除
例：插入
Optimistic Coupling（乐观锁）
观察：在插入和删除操作中，都会给根结点上写锁，造成系统在根结点处是串行的，有性能瓶颈。
实际上一个页存储一个结点，页大小很大，大多数时候不需要结点分裂，删除时结点也可以延迟合并，说明B+树结构大多数时候不会变化，上写锁的代价太大。
基本思想：上读锁，发现冲突后重新上写锁。
步骤：
- 查询：不变
- 插入/删除：
- 和查询一样，在路径上加读锁，到达叶子结点后加写锁
- 如果叶子结点不安全，重做；否则直接执行相关操作
Leaf Node Scan
叶子结点扫描顺序：
- 垂直方向：自顶向底
- 水平方向：没有限制
扫描方向冲突：
- 水平扫描方向不一致导致冲突
- 水平扫描和垂直扫描冲突
水平扫描方向不一致：读锁没有冲突，互换读锁即可。
水平扫描方向不一致：带写锁时会有冲突，选择自我终结。
为什么选择自我终结：根本原因是latch是低级原语，不涉及全局信息，唯一知道的只有自己的信息，所以选择自我终结。
- 涉及到读写磁盘，等待时间不定
- 不知道其他进程进行到什么程度，也不知道其他进程是什么状况
为什么水平方向不能强制一个方向扫描：影响效率，在数据规模变大时更为明显。
比如where子句是where id > 100000，如果强制从左到右，得扫描100000条数据
水平扫描和垂直扫描方向不一致：
垂直到达叶子结点的操作，在遇到水平进行的操作时，同样会遇到上述问题，处理方式也相同。
