#65 資料庫引擎的交易資料鎖定 (Lock) 策略

延續上一次資料庫的交易文章內容，在一個資料庫系統中同一時間可以執行多個交易 (Transaction)．在這同時執行的交易內容中，當遇到共同讀取和寫入同一個物件時，此時便有很大的機會將發生如上一篇文章中提到的資料衝突現象．為了要解決這個現象，資料庫引擎得採取一種策略．以學術的角度而言，策略有好幾種，但比較常見和合理的策略將是本篇文章中將討論的資料鎖定 (Lock)．

Lock

首先定義上一段文字中所說的 "共同讀取和寫入同一個物件"，物件是指交易內容中所感興趣的資料．可能是一筆資料，例如某一個學生的基本資料，可能是符合某條件的資料，例如去年十月份的所有訂單．以邏輯處理而言，通常來說這資料可能只存在於同一個表格，但也有可能存在於多個表格．以實體上而言，資料有可能在同一個 page，但更有可能分散在不同的 page．以邏輯上而言，資料庫引擎可以對一筆資料進行鎖定，也可以對一整個資料表格進行鎖定，或是鎖定某些特定條件的資料．以實體上而言，通常是以鎖定 page 為單位，資料庫引擎比較方便進行鎖定．

資料鎖定策略定義兩種鎖，第一種鎖是共享鎖 (Shared lock)，也就是當交易對某資料進行讀取動作時，則必需先取得共享鎖，共享的意思也就是其他的交易對同樣資料進行讀取時，也會取得共享鎖，代表這資料只供讀取．所以取得共享鎖的交易可以馬上對資料進行讀取．第二種鎖是互斥鎖 (Exclusive lock)，這是當交易對某資料進行寫入動作所需要取得的鎖，其顧名思義，互斥鎖在同一時間只能被一個交易取得使用，如果其他交易也要取得同份資料的互斥鎖，則必須等待．一般而言，我們將共享鎖簡稱為 S lock，互斥鎖稱為 X lock．透過這兩種 lock 便能解決上一篇文章裡所提出的問題．接下來，舉些例子來說明這兩種 lock 如何確保資料鎖定策略能成功．

首先來看下圖的範例，有兩個交易，他們對同一個資料 (A) 先進行讀取動作 (R) 再進行寫入動作 (W)

由於他們將對資料 A 進行寫入，因此他們都需要取得 X lock．假設是 T1 交易先啟動，因此當 T1 啟得 X lock 之後，T2 就得等待．當 T1 完成後 (Commit完成後)，對資料 A 的 X lock 就會被釋出，因此 T2 才能得取資料 A 的 X lock，接著 T2 才能執行．因此，真正的執行情況將變成下圖．

如果執行的情況變成 T2 先啟動，則 T1 就必須等到 T2 執行完成後才能取得 X lock 接著執行．因此，不論是那一個交易先執行，另一個交易都必須等待．這是一個很單純的例子．接下來來看一個對多個資料進行讀和寫的例子．

以上是兩個交易 (T3,T4) 對資料 A,B,C 進行動作, 其中 T3 讀取資料 A，讀取和寫入資料 C，而 T4 讀取資料 A，讀取和寫入資料 B．由於 T3, T4都對資料 A進行讀取，所以他們都會取得 S lock，因此可以同時讀取資料A．之後他們分別對不同的資料 (B ,C) 進行寫入動作，因此取得 X lock時是針對不同的資料，所以不用等待對方就能馬上進行寫入動作．

以上所說的方法是採用漸進式的方式來進行資料鎖定，也就是當交易讀取或寫入某資料時，才需要對該資料取得 S lock 或 X lock，而且 S lock 和 X lock 將決定交易是否馬上繼續執行或是需要等待．因此，這樣的方式對資料庫引擎來說是漸漸增加 lock 的數量，然後在交易 commit 或 abort 時，一次釋放該交易所擁有的 lock，就有如下圖一樣：

DeadLock

以上的策略會讓死結 (deadlock) 有機會產生，主要的原因在於 X lock，舉例如下圖:

當 T1 嘗試著取得資料B 的 X lock，結果資料 B 的 X lock 在被 T2 使用中，因此得等到 T2 完成才行，結果 T2 後面有個動作要對資料A 進行寫入，欲取得資料A 的 X lock 時，此時它正被 T1 所使用，需得到 T1 完成才行．因此就進入了一個你等我，我等你的狀態，也是電腦科學領域中常見的 deadlock 問題．資料庫引擎需要有能力來偵測死結的情況，並且要有能力處理死結．以理論上來說，偵測不是難事，資料庫引擎得維護一個 waits-for graph 來對整體系統裡那些交易在等待那些交易完成，透過 waits-for graph 可讓資料庫引擎偵測死結．這對資料庫引擎來說是一項不得不花費的成本，因為要偵測死結的存在，才能對死結的現象進行解決．解決死結最簡單的方法就是將造成死結的交易終止，好讓其他交易可以順利取得 lock，然後再將被終止的交易重新啟動．無論如何，資料庫引擎在這能做的只是事後的預防與問題的排除，若想要盡量避免死結，還需要程式開發人員的配合．交易是程式開發人員所撰寫，因此在寫交易時要儘量避免死結的發生便很重要．有幾個簡單的準則可供參考:

• 若非必要，不要為你的 stored procedure 設定成以交易的方式進行．
  
• 交易應盡量短．如果交易過長，這表示交易將進行更多的讀取或寫入的動作，無形中也增加了死結的機會．因此，最好把交易分割到最小不可分割的單位．過於複雜的商業邏輯由外面的程式邏輯層執行，資料庫只要做基本的資料操作動作．
• 盡量讓交易對資料有相同順序的讀取或寫入．如前面的例子，死結的發生往往在於你等我，我等你的情況．因此，若把資料讀寫的順序盡可能排成一樣，這樣就能大大減少你等我我等你的機會．

以理論上來說，資料鎖定的策略不只以上介紹的方法，還有其他不同的鎖定策略以及死結預防和處理的方式．不論是用那一種，對資料庫來說都是相對應要付出成本．若能將這方面的成本降低，這將有助於資料庫引擎效能．