PostgreSQL常规锁的内存结构与管理

PostgreSQL常规锁的内存结构

锁结构概述

在PostgreSQL中，常规锁（General Locks，简称LWLock）用于保护共享内存中的数据结构以及实现轻量级的同步机制。其内存结构是理解锁管理和并发控制的关键。常规锁的数据结构主要定义在src/include/storage/lwlock.h文件中。

PostgreSQL使用一个数组来管理所有的常规锁。每个锁在数组中都有一个对应的索引，这个索引被称为锁的ID。常规锁的数据结构LWLock包含了锁的状态、等待队列等关键信息。

LWLock数据结构剖析

下面是LWLock数据结构的简化定义：

typedef struct LWLock
{
    uint32      lw_type;        /* 锁的类型 */
    volatile int lw_count;       /* 当前持有锁的计数 */
    volatile int lw_waiters;     /* 等待该锁的进程数 */
    volatile int lw_priority;    /* 锁的优先级 */
    WaitQueue   lw_waitqueue;   /* 等待队列 */
} LWLock;

lw_type：这个字段标识锁的类型。不同的系统组件会使用不同类型的锁，通过这种方式可以对不同的资源进行分类管理。例如，有用于控制共享缓冲区访问的锁类型，也有用于控制事务ID分配的锁类型。
lw_count：记录当前持有该锁的次数。当一个进程获取锁时，这个计数器会增加；释放锁时，计数器会减少。如果lw_count为0，表示锁当前未被持有。
lw_waiters：统计正在等待获取该锁的进程数量。当一个进程尝试获取锁但失败时，它会被加入等待队列，同时lw_waiters的值会增加。
lw_priority：用于设置锁的优先级。在高并发环境下，优先级高的锁请求会优先得到处理，这有助于确保关键操作能够及时执行。
lw_waitqueue：这是一个等待队列，用于存储等待获取该锁的进程。当锁可用时，会从这个队列中按一定规则唤醒等待的进程。

锁数组与内存布局

PostgreSQL使用一个全局的锁数组lwlock_table来管理所有的常规锁。这个数组在数据库启动时被初始化，其大小根据编译时的配置参数确定。例如，在编译时可以通过配置参数来调整锁数组的大小，以适应不同的系统负载和并发需求。

extern LWLock lwlock_table[LWLOCK_MAX];

LWLOCK_MAX定义了锁数组的最大容量。每个锁在数组中的位置由其锁ID确定。这种基于数组的布局方式使得锁的访问和管理变得高效，通过简单的数组索引操作就可以快速定位到需要的锁结构。

与其他数据结构的关联

常规锁与PostgreSQL中的许多其他数据结构紧密关联。例如，共享缓冲区管理器（Buffer Manager）使用常规锁来保护缓冲区描述符（Buffer Descriptor）。缓冲区描述符包含了关于共享缓冲区的元数据，如缓冲区是否被脏写、是否被固定等信息。当一个进程需要访问或修改缓冲区描述符时，必须先获取对应的常规锁。

又如，事务ID分配器（Transaction ID Allocator）也依赖常规锁来确保事务ID的唯一性和顺序性。在分配新的事务ID时，需要获取特定类型的常规锁，以防止多个进程同时分配相同的事务ID。

PostgreSQL常规锁的管理机制

锁的获取

尝试获取锁：当一个进程需要获取常规锁时，首先会尝试通过原子操作快速获取锁。PostgreSQL使用底层的原子指令来实现高效的锁获取操作。例如，在src/backend/storage/lmgr/lwlock.c中的LWLockAcquire函数实现了锁获取逻辑。

void
LWLockAcquire(LWLock *lock, LWLockMode mode)
{
    int         oldcount;

    /* 尝试通过原子操作获取锁 */
    oldcount = InterlockedExchangeAdd32(&lock->lw_count, 1);
    if (oldcount >= 0)
        return;
    /* 如果获取失败，进入等待逻辑 */
    LWLockAcquireInternal(lock, mode);
}

这里通过InterlockedExchangeAdd32函数尝试原子地增加lw_count的值。如果增加后的值大于等于0，说明成功获取了锁；否则，需要进入等待逻辑。

等待队列管理：当锁获取失败时，进程会被加入到锁的等待队列lw_waitqueue中。等待队列采用链表结构实现，新的等待进程会被添加到链表的尾部。在等待过程中，进程会被挂起，直到锁可用。

void
LWLockAcquireInternal(LWLock *lock, LWLockMode mode)
{
    WaitEvent   event;

    event.eventType = WaitEventLWLock;
    event.lwlock = lock;
    event.lockMode = mode;
    WaitQueueInsertHead(&lock->lw_waitqueue, MyProc->procWaitLink);
    MyProc->waitEvent = &event;
    MyProc->waitStartTime = GetCurrentTimestamp();
    /* 挂起进程 */
    CheckForInterrupt();
    while (!LWLockConditionalAcquire(lock, mode))
    {
        PG_TRY();
        {
            ProcSleep(MyProc, MyProc->waitEvent, true);
        }
        PG_CATCH();
        {
            WaitQueueRemove(&lock->lw_waitqueue, MyProc->procWaitLink);
            MyProc->waitEvent = NULL;
            PG_RE_THROW();
        }
        PG_END_TRY();
    }
    WaitQueueRemove(&lock->lw_waitqueue, MyProc->procWaitLink);
    MyProc->waitEvent = NULL;
}

在上述代码中，WaitQueueInsertHead将进程添加到等待队列，ProcSleep函数挂起进程，直到被唤醒。当锁可用时，LWLockConditionalAcquire函数会尝试再次获取锁。

锁的释放

释放锁操作：当一个进程完成对共享资源的访问后，需要释放常规锁。释放锁的操作同样在lwlock.c文件中实现。

void
LWLockRelease(LWLock *lock)
{
    int         oldcount;

    oldcount = InterlockedExchangeAdd32(&lock->lw_count, -1);
    Assert(oldcount > 0);
    if (oldcount == 1 && lock->lw_waiters > 0)
    {
        /* 唤醒等待队列中的一个进程 */
        Proc wakeProc = WaitQueueFirst(&lock->lw_waitqueue);
        if (wakeProc != NULL)
        {
            WakeupLockClient(wakeProc, &lock->lw_waitqueue);
        }
    }
}

这里通过InterlockedExchangeAdd32函数原子地减少lw_count的值。如果减少后的值为1且有等待进程（lw_waiters > 0），则从等待队列中唤醒一个进程。

唤醒等待进程：WakeupLockClient函数负责唤醒等待队列中的一个进程。被唤醒的进程会再次尝试获取锁。如果锁仍然不可用，进程可能会再次进入等待状态。

void
WakeupLockClient(Proc wakeProc, WaitQueue *queue)
{
    wakeProc->wakeEvent = NULL;
    WaitQueueRemove(queue, wakeProc->procWaitLink);
    ProcResume(wakeProc);
}

ProcResume函数将被唤醒的进程重新设置为可运行状态，使其可以继续执行获取锁的操作。

锁的优先级管理

优先级设置：PostgreSQL允许为常规锁设置优先级。优先级通过lw_priority字段来表示。较高的优先级值表示更高的优先级。在获取锁时，优先级高的进程会优先于优先级低的进程获取锁。

void
LWLockSetPriority(LWLock *lock, int priority)
{
    lock->lw_priority = priority;
}

优先级队列与调度：在等待队列中，优先级高的进程会被放置在队列的前面。当锁可用时，会优先唤醒优先级高的进程。这种优先级调度机制有助于确保关键操作能够快速执行，避免低优先级操作长时间占用锁资源。

死锁检测与处理

死锁检测机制：PostgreSQL使用一种基于等待图（Wait - For Graph，WFG）的算法来检测死锁。等待图记录了进程之间的锁等待关系。在每次锁获取操作时，系统会检查是否会形成死锁环。

bool
LWLockCheckForDeadlock(LWLock *lock, LWLockMode mode)
{
    /* 构建等待图并检查是否存在死锁环 */
    // 实际实现涉及复杂的图操作和状态跟踪
    return false;
}

死锁处理：当检测到死锁时，PostgreSQL会选择一个进程作为死锁受害者（通常是优先级较低的进程），并终止该进程。被终止的进程会回滚其未提交的事务，释放其持有的所有锁，从而打破死锁环。

void
LWLockHandleDeadlock(Proc victimProc)
{
    /* 终止受害者进程并回滚事务 */
    AbortTransaction();
    TerminateProcess(victimProc);
}

这种处理方式虽然会牺牲一个进程的执行，但可以确保整个系统的稳定性和并发操作的继续进行。

代码示例与应用场景

简单锁操作示例

以下是一个简单的代码示例，展示了如何在PostgreSQL扩展中使用常规锁。假设我们要实现一个简单的计数器，多个进程可以对其进行增加操作，需要使用常规锁来保证数据的一致性。

首先，在扩展的头文件中定义锁ID和计数器变量：

#include "postgres.h"
#include "fmgr.h"
#include "storage/lwlock.h"

#define MY_COUNTER_LOCK_ID 100
extern LWLock lwlock_table[LWLOCK_MAX];
static int my_counter = 0;

然后，在扩展的实现文件中编写增加计数器的函数：

PG_FUNCTION_INFO_V1(my_increment_counter);

Datum
my_increment_counter(PG_FUNCTION_ARGS)
{
    LWLockAcquire(&lwlock_table[MY_COUNTER_LOCK_ID], LW_EXCLUSIVE);
    my_counter++;
    LWLockRelease(&lwlock_table[MY_COUNTER_LOCK_ID]);
    PG_RETURN_INT32(my_counter);
}

在上述代码中，my_increment_counter函数在增加计数器之前先获取常规锁LW_EXCLUSIVE模式，确保在同一时间只有一个进程可以修改计数器。操作完成后，释放锁。

共享资源访问示例

假设我们有一个共享的缓存数据结构，多个进程需要访问和修改这个缓存。为了保护缓存的一致性，我们使用常规锁。

#include "postgres.h"
#include "fmgr.h"
#include "storage/lwlock.h"

#define CACHE_LOCK_ID 101
typedef struct CacheEntry
{
    int key;
    char value[100];
    struct CacheEntry *next;
} CacheEntry;

CacheEntry *cache_head = NULL;
extern LWLock lwlock_table[LWLOCK_MAX];

PG_FUNCTION_INFO_V1(cache_insert);

Datum
cache_insert(PG_FUNCTION_ARGS)
{
    int key = PG_GETARG_INT32(0);
    const char *value = PG_GETARG_CSTRING(1);

    LWLockAcquire(&lwlock_table[CACHE_LOCK_ID], LW_EXCLUSIVE);
    CacheEntry *new_entry = (CacheEntry *) palloc0(sizeof(CacheEntry));
    new_entry->key = key;
    strcpy(new_entry->value, value);
    new_entry->next = cache_head;
    cache_head = new_entry;
    LWLockRelease(&lwlock_table[CACHE_LOCK_ID]);

    PG_RETURN_VOID();
}

PG_FUNCTION_INFO_V1(cache_lookup);

Datum
cache_lookup(PG_FUNCTION_ARGS)
{
    int key = PG_GETARG_INT32(0);
    CacheEntry *current = NULL;

    LWLockAcquire(&lwlock_table[CACHE_LOCK_ID], LW_SHARED);
    current = cache_head;
    while (current != NULL)
    {
        if (current->key == key)
        {
            LWLockRelease(&lwlock_table[CACHE_LOCK_ID]);
            PG_RETURN_CSTRING(current->value);
        }
        current = current->next;
    }
    LWLockRelease(&lwlock_table[CACHE_LOCK_ID]);
    PG_RETURN_NULL();
}

在这个示例中，cache_insert函数在插入新的缓存项时获取排他锁（LW_EXCLUSIVE），以防止其他进程同时修改缓存结构。cache_lookup函数在查找缓存项时获取共享锁（LW_SHARED），允许多个进程同时读取缓存，但不允许在读取时进行修改。

实际应用场景

共享缓冲区管理：在PostgreSQL的共享缓冲区中，多个进程可能需要访问和修改缓冲区中的数据页。常规锁用于保护缓冲区描述符，确保在同一时间只有一个进程可以修改描述符的状态，如将数据页标记为脏页或固定页。
事务ID分配：事务ID的分配必须是唯一且有序的。常规锁用于控制事务ID分配器，确保在分配新的事务ID时不会出现冲突，维护事务的顺序性和一致性。
扩展开发：在开发PostgreSQL扩展时，经常需要保护自定义的共享数据结构。例如，在实现一个分布式缓存扩展时，可以使用常规锁来保护缓存的元数据和缓存项，确保多进程环境下缓存的正确性和高效性。

通过对PostgreSQL常规锁的内存结构与管理机制的深入理解，以及实际代码示例的演示，开发者可以更好地利用常规锁来实现高效的并发控制，确保数据库系统在高并发环境下的稳定性和性能。无论是内核开发还是扩展开发，合理使用常规锁都是构建健壮的PostgreSQL应用的关键。