Oracle 多粒度封锁机制研究1 引言数据库锁的基本概念为了确保并发用户在存取同一数据库对象时的正确性（即无丢失修改、可重复读、不读“脏”数据） ，数据库中引入了锁机制。基本的锁类型有两种：排它锁（Exclusive locks记为 X 锁）和共享锁（Share locks 记为 S 锁） 。排它锁：若事务 T 对数据 D 加 X 锁，则其它任何事务都不能再对 D 加任何类型的锁，直至 T 释放 D 上的 X 锁；一般要求在修改数据前要向该数据加排它锁，所以排它锁又称为写锁。共享锁：若事务 T 对数据 D 加 S 锁，则其它事务只能对 D 加 S 锁，而不能加 X 锁，直至 T 释放 D 上的 S 锁；一般要求在读取数据前要向该数据加共享锁，所以共享锁又称为读锁。2 Oracle 多粒度封锁机制介绍根据保护对象的不同，Oracle 数据库锁可以分为以下几大类：(1) DML lock（data locks ，数据锁）：用于保护数据的完整性；(2) DDL lock（dictionary locks，字典锁）：用于保护数据库对象的结构（例如表、视图、索引的结构定义） ；(3) internal locks 和 l a t c h es（内部锁与闩）：保护内部数据库结构；(4) distributed locks（分布式锁）：用于 OPS（并行服务器）中；(5) PCM locks（并行高速缓存管理锁）：用于 OPS（并行服务器）中。本文主要讨论 DML（也可称为 data locks，数据锁）锁。从封锁粒度（封锁对象的大小）的角度看，Oracle DML 锁共有两个层次，即行级锁和表级锁。2.1 Oracle 的 TX 锁（行级锁、事务锁）许多对 Oracle 不太了解的技术人员可能会以为每一个 TX 锁代表一条被封锁的数据行，其实不然。TX 的本义是 Transaction（事务） ，当一个事务第一次执行数据更改（Insert 、Update 、Delete）或使用 SELECT FOR UPDATE 语句进行查询时，它即获得一个 TX（事务）锁，直至该事务结束（执行 COMMIT 或 ROLLBACK 操作）时，该锁才被释放。所以，一个 TX 锁，可以对应多个被该事务锁定的数据行。在 Oracle 的每行数据上，都有一个标志位来表示该行数据是否被锁定。Oracle 不象其它一些 DBMS（数据库管理系统）那样，建立一个链表来维护每一行被加锁的数据，这样就大大减小了行级锁的维护开销，也在很大程度上避免了其它数据库系统使用行级封锁时经常发生的锁数量不够的情况。数据行上的锁标志一旦被置位，就表明该行数据被加 X 锁，Oracle 在数据行上没有 S 锁。2.2 TM 锁（表级锁）2.2.1 意向锁的引出表是由行组成的，当我们向某个表加锁时，一方面需要检查该锁的申请是否与原有的表级锁相容；另一方面，还要检查该锁是否与表中的每一行上的锁相容。比如一个事务要在一个表上加 S 锁，如果表中的一行已被另外的事务加了 X 锁，那么该锁的申请也应被阻塞。如果表中的数据很多，逐行检查锁标志的开销将很大，系统的性能将会受到影响。为了解决这个问题，可以在表级引入新的锁类型来表示其所属行的加锁情况，这就引出了“意向锁”的概念。意向锁的含义是如果对一个结点加意向锁，则说明该结点的下层结点正在被加锁；对任一结点加锁时，必须先对它的上层结点加意向锁。如：对表中的任一行加锁时，必须先对它所在的表加意向锁，然后再对该行加锁。这样一来，事务对表加锁时，就不再需要检查表中每行记录的锁标志位了，系统效率得以大大提高。2.2.2 意向锁的类型由两种基本的锁类型（S 锁、X 锁） ，可以自然地派生出两种意向锁：意向共享锁（Intent Share Lock，简称 IS 锁）：如果要对一个数据库对象加 S 锁，首先要对其上级结点加 IS 锁，表示它的后裔结点拟（意向）加 S 锁；意向排它锁（Intent Exclusive Lock，简称 IX 锁）：如果要对一个数据库对象加 X 锁，首先要对其上级结点加 IX 锁，表示它的后裔结点拟（意向）加 X 锁。另外，基本的锁类型（S、X）与意向锁类型（IS、IX）之间还可以组合出新的锁类型，理论上可以组合出 4 种，即：S+IS，S+IX，X+IS，X+IX，但稍加分析不难看出，实际上只有 S+IX 有新的意义，其它三种组合都没有使锁的强度得到提高（即：S+IS=S，X+IS=X，X+IX=X，这里的“=”指锁的强度相同） 。所谓锁的强度是指对其它锁的排斥程度。这样我们又可以引入一种新的锁的类型共享意向排它锁（Shared Intent Exclusive Lock,简称 SIX 锁） ：如果对一个数据库对象加 SIX 锁，表示对它加 S 锁，再加 IX 锁，即 SIX=S+IX。例如：事务对某个表加 SIX 锁，则表示该事务要读整个表（所以要对该表加 S 锁） ，同时会更新个别行（所以要对该表加IX 锁） 。这样数据库对象上所加的锁类型就可能有 5 种：即 S、X、IS、IX、SIX 。具有意向锁的多粒度封锁方法中任意事务 T 要对一个数据库对象加锁，必须先对它的上层结点加意向锁。申请封锁时应按自上而下的次序进行；释放封锁时则应按自下而上的次序进行；具有意向锁的多粒度封锁方法提高了系统的并发度，减少了加锁和解锁的开销。2.2.3 Oracle 的 TM 锁（表级锁）Oracle 的 DML 锁（数据锁）正是采用了上面提到的多粒度封锁方法，其行级锁虽然只有一种（即 X 锁） ，但其 TM 锁（表级锁）类型共有 5 种，分别称为共享锁（S 锁） 、排它锁（X 锁） 、行级共享锁（ RS 锁） 、行级排它锁（RX 锁） 、共享行级排它锁（SRX 锁） ，与上面提到的 S、X、IS 、IX、SIX 相对应。需要注意的是，由于 Oracle 在行级只提供 X锁，所以与 RS 锁（通过 SELECT FOR UPDATE 语句获得）对应的行级锁也是 X 锁（但是该行数据实际上还没有被修改） ，这与理论上的 IS 锁是有区别的。下表为 Oracle 数据库 TM 锁的相容矩阵（Y=Yes，表示相容的请求； N=No，表示不相容的请求；-表示没有加锁请求）：T2T1 S X RS RX SRX -S Y N Y N N YX N N N N N YRS Y N Y Y Y YRX N N Y Y N YSRX N N Y N N Y- Y Y Y Y Y Y表一： Oracle 数据库 TM 锁的相容矩阵一方面，当 Oracle 执行 SELECTFOR UPDATE、INSERT、UPDATE、DELETE 等DML 语句时，系统自动在所要操作的表上申请表级 RS 锁（SELECTFOR UPDATE）或RX 锁（ INSERT、UPDATE、DELETE ） ，当表级锁获得后，系统再自动申请 TX 锁，并将实际锁定的数据行的锁标志位置位（指向该 TX 锁） ；另一方面，程序或操作人员也可以通过 LOCK TABLE 语句来指定获得某种类型的 TM 锁。下表总结了 Oracle 中各 SQL 语句产生 TM 锁的情况：SQL 语句 表锁模式 允许的锁模式Select * from table_name 无 RS、RX、S、SRX、XInsert into table_name RX RS、RXUpdate table_name RX RS、RXDelete from table_name RX RS、RXSelect * from table_name for update RS RS、RX、S、SRXlock table table_name in row share mode RS RS、RX、S、SRXlock table table_name in row exclusive mode RX RS、RXlock table table_name in share mode S RS、Slock table table_name in share row exclusive mode SRX RSlock table table_name in exclusive mode X 无表二：Oracle 数据库 TM 锁小结我们可以看到，通常的 DML 操作（SELECTFOR UPDATE、INSERT、UPDATE、DELETE ） ，在表级获得的只是意向锁（RS 或 RX） ，其真正的封锁粒度还是在行级；另外，Oracle 数据库的一个显著特点是，在缺省情况下，单纯地读数据（SELECT）并不加锁，Oracle 通过回滚段（Rollback segment）来保证用户不读“脏”数据。这些都极大地提高了系统的并发程度。由于意向锁及数据行上锁标志位的引入，极大地减小了 Oracle 维护行级锁的开销，这些技术的应用使 Oracle 能够高效地处理高度并发的事务请求。3 Oracle 多粒度封锁机制总结Oracle 通过具有意向锁的多粒度封锁机制进行并发控制，保证数据的一致性。其 DML锁（数据锁）分为两个层次（粒度）：即表级和行级。通常的 DML 操作在表级获得的只是意向锁（RS 或 RX） ，其真正的封锁粒度还是在行级；另外，在 Oracle 数据库中，单纯地读数据（SELECT）并不加锁，这些都极大地提高了系统的并发程度。在支持高并发度的同时，Oracle 利用意向锁及数据行上加锁标志位等设计技巧，减小了 Oracle 维护行级锁的开销，使其在数据库并发控制方面有着明显的优势。