MS SQL Server數(shù)據(jù)庫事務(wù)鎖機制分析
■ 北京師范大學(xué) 劉永明
鎖是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中的一個非常重要的概念，它主要用于多用戶環(huán)境下保證數(shù)據(jù)庫完整性和一致性。各種大型數(shù)據(jù)庫所采用的鎖的基本理論是一致的，但在具體實現(xiàn)上各有差別。目前，大多數(shù)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)都或多或少具有自我調(diào)節(jié)、自我管理的功能，因此很多用戶實際上不清楚鎖的理論和所用數(shù)據(jù)庫中鎖的具體實現(xiàn)。 Microsoft SQL Server（以下簡稱SQL Server）作為一種中小型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，該系統(tǒng)更強調(diào)由系統(tǒng)來管理鎖。在用戶有SQL請求時，系統(tǒng)分析請求，自動在滿足鎖定條件和系統(tǒng)性能之間為數(shù)據(jù)庫加上適當(dāng)?shù)逆i，同時系統(tǒng)在運行期間常常自動進行優(yōu)化處理，實行動態(tài)加鎖。對于一般的用戶而言，通過系統(tǒng)的自動鎖定管理機制基本可以滿足使用要求，但如果對數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)庫完整性和一致性有特殊要求，就必須自己控制數(shù)據(jù)庫的鎖定和解鎖，這就需要了解SQL Server的鎖機制，掌握數(shù)據(jù)庫鎖定方法。 鎖的多粒度性以及鎖升級 數(shù)據(jù)庫中的鎖是指一種軟件機制，用來指示某個用戶（也即進程會話，下同）已經(jīng)占用了某種資源，從而防止其他用戶做出影響本用戶的數(shù)據(jù)修改或?qū)е聰?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的非完整性和非一致性。這兒所謂資源，主要指用戶可以操作的數(shù)據(jù)行、索引以及數(shù)據(jù)表等。根據(jù)資源的不同，鎖有多粒度（multigranular）的概念，也就是指可以鎖定的資源的層次。SQL Server中能夠鎖定的資源粒度包括：數(shù)據(jù)庫、表、區(qū)域、頁面、鍵值（指帶有索引的行數(shù)據(jù)）、行標(biāo)識符（RID，即表中的單行數(shù)據(jù)）。 采用多粒度鎖的重要用途是用來支持并發(fā)操作和保證數(shù)據(jù)的完整性。SQL Server根據(jù)用戶的請求，做出分析后自動給數(shù)據(jù)庫加上合適的鎖。假設(shè)某用戶只操作一個表中的部分行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可能會只添加幾個行鎖（RID）或頁面鎖，這樣可以盡可能多地支持多用戶的并發(fā)操作。但是，如果用戶事務(wù)中頻繁對某個表中的多條記錄操作，將導(dǎo)致對該表的許多記錄行都加上了行級鎖，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中鎖的數(shù)目會急劇增加，這樣就加重了系統(tǒng)負(fù)荷，影響系統(tǒng)性能。因此，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，一般都支持鎖升級(lock escalation)。所謂鎖升級是指調(diào)整鎖的粒度，將多個低粒度的鎖替換成少數(shù)的更高粒度的鎖，以此來降低系統(tǒng)負(fù)荷。在SQL Server中當(dāng)一個事務(wù)中的鎖較多，達(dá)到鎖升級門限時，系統(tǒng)自動將行級鎖和頁面鎖升級為表級鎖。特別值得注意的是，在SQL Server中，鎖的升級門限以及鎖升級是由系統(tǒng)自動來確定的，不需要用戶設(shè)置。 鎖的模式和兼容性 在數(shù)據(jù)庫中加鎖時，除了可以對不同的資源加鎖，還可以使用不同程度的加鎖方式，即鎖有多種模式，SQL Server中鎖模式包括： 1．共享鎖 SQL Server中，共享鎖用于所有的只讀數(shù)據(jù)操作。共享鎖是非獨占的，允許多個并發(fā)事務(wù)讀取其鎖定的資源。默認(rèn)情況下，數(shù)據(jù)被讀取后，SQL Server立即釋放共享鎖。例如，執(zhí)行查詢“SELECT * FROM my_table”時，首先鎖定第一頁，讀取之后，釋放對第一頁的鎖定，然后鎖定第二頁。這樣，就允許在讀操作過程中，修改未被鎖定的第一頁。但是，事務(wù)隔離級別連接選項設(shè)置和SELECT語句中的鎖定設(shè)置都可以改變SQL Server的這種默認(rèn)設(shè)置。例如，“ SELECT * FROM my_table HOLDLOCK”就要求在整個查詢過程中，保持對表的鎖定，直到查詢完成才釋放鎖定。 2．修改鎖 修改鎖在修改操作的初始化階段用來鎖定可能要被修改的資源，這樣可以避免使用共享鎖造成的死鎖現(xiàn)象。因為使用共享鎖時，修改數(shù)據(jù)的操作分為兩步，首先獲得一個共享鎖，讀取數(shù)據(jù)，然后將共享鎖升級為獨占鎖，然后再執(zhí)行修改操作。這樣如果同時有兩個或多個事務(wù)同時對一個事務(wù)申請了共享鎖，在修改數(shù)據(jù)的時候，這些事務(wù)都要將共享鎖升級為獨占鎖。這時，這些事務(wù)都不會釋放共享鎖而是一直等待對方釋放，這樣就造成了死鎖。如果一個數(shù)據(jù)在修改前直接申請修改鎖，在數(shù)據(jù)修改的時候再升級為獨占鎖，就可以避免死鎖。修改鎖與共享鎖是兼容的，也就是說一個資源用共享鎖鎖定后，允許再用修改鎖鎖定。 3．獨占鎖 獨占鎖是為修改數(shù)據(jù)而保留的。它所鎖定的資源，其他事務(wù)不能讀取也不能修改。獨占鎖不能和其他鎖兼容。 4．結(jié)構(gòu)鎖 結(jié)構(gòu)鎖分為結(jié)構(gòu)修改鎖（Sch-M）和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定鎖（Sch-S）。執(zhí)行表定義語言操作時，SQL Server采用Sch-M鎖，編譯查詢時，SQL Server采用Sch-S鎖。 5．意向鎖 意向鎖說明SQL Server有在資源的低層獲得共享鎖或獨占鎖的意向。例如，表級的共享意向鎖說明事務(wù)意圖將獨占鎖釋放到表中的頁或者行。意向鎖又可以分為共享意向鎖、獨占意向鎖和共享式獨占意向鎖。共享意向鎖說明事務(wù)意圖在共享意向鎖所鎖定的低層資源上放置共享鎖來讀取數(shù)據(jù)。獨占意向鎖說明事務(wù)意圖在共享意向鎖所鎖定的低層資源上放置獨占鎖來修改數(shù)據(jù)。共享式獨占鎖說明事務(wù)允許其他事務(wù)使用共享鎖來讀取頂層資源，并意圖在該資源低層上放置獨占鎖。 6．批量修改鎖 批量復(fù)制數(shù)據(jù)時使用批量修改鎖?？梢酝ㄟ^表的TabLock提示或者使用系統(tǒng)存儲過程sp_tableoption的“table lock on bulk load”選項設(shè)定批量修改鎖。 另外，SQL Server命令語句操作會影響鎖定的方式，語句的組合也同樣能產(chǎn)生不同的鎖定，詳情如下表：
鎖沖突及其防止辦法 在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，死鎖是指多個用戶（進程）分別鎖定了一個資源，并又試圖請求鎖定對方已經(jīng)鎖定的資源，這就產(chǎn)生了一個鎖定請求環(huán)，導(dǎo)致多個用戶（進程）都處于等待對方釋放所鎖定資源的狀態(tài)。 在SQL Server中，系統(tǒng)能夠自動定期搜索和處理死鎖問題。系統(tǒng)在每次搜索中標(biāo)識所有等待鎖定請求的進程會話，如果在下一次搜索中該被標(biāo)識的進程仍處于等待狀態(tài)，SQL Server就開始遞歸死鎖搜索。 (上接第D21版) 當(dāng)搜索檢測到鎖定請求環(huán)時，系統(tǒng)將根據(jù)各進程會話的死鎖優(yōu)先級別來結(jié)束一個優(yōu)先級最低的事務(wù)，此后，系統(tǒng)回滾該事務(wù)，并向該進程發(fā)出1205號錯誤信息。這樣，其他事務(wù)就有可能繼續(xù)運行了。死鎖優(yōu)先級的設(shè)置語句為： SET DEADLOCK_PRIORITY { LOW | NORMAL} 其中LOW說明該進程會話的優(yōu)先級較低，在出現(xiàn)死鎖時，可以首先中斷該進程的事務(wù)。另外，各進程中通過設(shè)置LOCK_TIMEOUT選項能夠設(shè)置進程處于鎖定請求狀態(tài)的最長等待時間。該設(shè)置的語句： SET LOCK_TIMEOUT { timeout_period } 其中，timeout_period以毫秒為單位。 理解了死鎖的概念，在應(yīng)用程序中就可以采用下面的一些方法來盡量避免死鎖了： （1）合理安排表訪問順序。 （2）在事務(wù)中盡量避免用戶干預(yù)，盡量使一個事務(wù)處理的任務(wù)少些。 （3）采用臟讀技術(shù)。臟讀由于不對被訪問的表加鎖，而避免了鎖沖突。在客戶機/服務(wù)器應(yīng)用環(huán)境中，有些事務(wù)往往不允許讀臟數(shù)據(jù)，但在特定的條件下，我們可以用臟讀。 （4）數(shù)據(jù)訪問時域離散法。數(shù)據(jù)訪問時域離散法是指在客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)中，采取各種控制手段控制對數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)庫中的對象訪問時間段。主要通過以下方式實現(xiàn): 合理安排后臺事務(wù)的執(zhí)行時間，采用工作流對后臺事務(wù)進行統(tǒng)一管理。工作流在管理任務(wù)時，一方面限制同一類任務(wù)的線程數(shù)（往往限制為1個），防止資源過多占用; 另一方面合理安排不同任務(wù)執(zhí)行時序、時間，盡量避免多個后臺任務(wù)同時執(zhí)行，另外， 避免在前臺交易高峰時間運行后臺任務(wù)。 （5）數(shù)據(jù)存儲空間離散法。數(shù)據(jù)存儲空間離散法是指采取各種手段，將邏輯上在一個表中的數(shù)據(jù)分散到若干離散的空間上去，以便改善對表的訪問性能。主要通過以下方法實現(xiàn): 第一，將大表按行或列分解為若干小表; 第二，按不同的用戶群分解。 （6）使用盡可能低的隔離性級別。隔離性級別是指為保證數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的完整性和一致性而使多用戶事務(wù)隔離的程度，SQL92定義了4種隔離性級別：未提交讀、提交讀、可重復(fù)讀和可串行。如果選擇過高的隔離性級別，如可串行，雖然系統(tǒng)可以因?qū)崿F(xiàn)更好隔離性而更大程度上保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性，但各事務(wù)間沖突而死鎖的機會大大增加，大大影響了系統(tǒng)性能。 （7）使用Bound Connections。Bound connections 允許兩個或多個事務(wù)連接共享事務(wù)和鎖，而且任何一個事務(wù)連接要申請鎖如同另外一個事務(wù)要申請鎖一樣，因此可以允許這些事務(wù)共享數(shù)據(jù)而不會有加鎖的沖突。 （8）考慮使用樂觀鎖定或使事務(wù)首先獲得一個獨占鎖定。一個最常見的死鎖情況發(fā)生在系列號生成器中，它們通常是這樣編寫的： begin tran select new_id from keytab holdlock update keytab set new_id＝new_id+l commit tran 如果有兩個用戶在同時運行這一事務(wù)，他們都會得到共享鎖定并保持它。當(dāng)兩個用戶都試圖得到keytab表的獨占鎖定時，就會進入死鎖。為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)將上述事務(wù)重寫成如下形式： begin tran update keytab set new_id=new_id+l select new_id from keytab commit tran 以這種方式改寫后，只有一個事務(wù)能得到keytab的獨占鎖定，其他進程必須等到第一個事務(wù)的完成，這樣雖增加了執(zhí)行時間，但避免了死鎖。 如果要求在一個事務(wù)中具有讀取的可重復(fù)能力，就要考慮以這種方式來編寫事務(wù)，以獲得資源的獨占鎖定，然后再去讀數(shù)據(jù)。例如，如果一個事務(wù)需要檢索出titles表中所有書的平均價格，并保證在update被應(yīng)用前，結(jié)果不會改變，優(yōu)化器就會分配一個獨占的表鎖定?？紤]如下的SQL代碼： begin tran update titles set title_idid＝title_id ． where 1＝2 if (selectavg(price)fromtitles)>$15 begin /* perform some additional processing */ end update titles set price＝price*1.10 where price<(select avg(price)from titles) commit tran 在這個事務(wù)中，重要的是沒有其他進程修改表中任何行的price，或者說在事務(wù)結(jié)束時檢索的值與事務(wù)開始時檢索的值不同。這里的where子句看起來很奇怪，但是不管你相信與否，這是迄今為止優(yōu)化器所遇到的最完美有效的where子句，盡管計算出的結(jié)果總是false。當(dāng)優(yōu)化器處理此查詢時，因為它找不到任何有效的SARG，它的查詢規(guī)劃就會強制使用一個獨占鎖定來進行表掃描。此事務(wù)執(zhí)行時，where子句立即得到一個false值，于是不會執(zhí)行實際上的掃描，但此進程仍得到了一個獨占的表鎖定。 因為此進程現(xiàn)在已有一個獨占的表鎖，所以可以保證沒有其他事務(wù)會修改任何數(shù)據(jù)行，能進行重復(fù)讀，且避免了由于holdlock所引起的潛在性死鎖。但是，要避免死鎖，不可能不付出代價。在使用表鎖定來盡可能地減少死鎖的同時，也增加了對表鎖定的爭用。因此，在實現(xiàn)這種方法之前，你需要權(quán)衡一下：避免死鎖是否比允許并發(fā)地對表進行訪問更重要。 手工加鎖 SQL Server系統(tǒng)中建議讓系統(tǒng)自動管理鎖，該系統(tǒng)會分析用戶的SQL語句要求，自動為該請求加上合適的鎖，而且在鎖的數(shù)目太多時，系統(tǒng)會自動進行鎖升級。如前所述，升級的門限由系統(tǒng)自動配置，并不需要用戶配置。 在實際應(yīng)用中，有時為了應(yīng)用程序正確運行和保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，必須人為地給數(shù)據(jù)庫的某個表加鎖。比如，在某應(yīng)用程序的一個事務(wù)操作中，需要根據(jù)一編號對幾個數(shù)據(jù)表做統(tǒng)計操作，為保證統(tǒng)計數(shù)據(jù)時間的一致性和正確性，從統(tǒng)計第一個表開始到全部表結(jié)束，其他應(yīng)用程序或事務(wù)不能再對這幾個表寫入數(shù)據(jù)，這個時候，該應(yīng)用程序希望在從統(tǒng)計第一個數(shù)據(jù)表開始或在整個事務(wù)開始時能夠由程序人為地（顯式地）鎖定這幾個表，這就需要用到手工加鎖（也稱顯式加鎖）技術(shù)。 在SQL Server 的SQL語句（SELECT、INSERT、DELETE、UPDATE）支持顯式加鎖。這4個語句在顯式加鎖的語法上類似，下面僅以SELECT語句為例給出語法： SELECT FROM [ WITH ] 其中， 指需要在該語句執(zhí)行時添加在該表上的鎖類型。 所指定的鎖類型有如下幾種： 1．HOLDLOCK: 在該表上保持共享鎖，直到整個事務(wù)結(jié)束，而不是在語句執(zhí)行完立即釋放所添加的鎖。 2．NOLOCK：不添加共享鎖和排它鎖，當(dāng)這個選項生效后，可能讀到未提交讀的數(shù)據(jù)或“臟數(shù)據(jù)”，這個選項僅僅應(yīng)用于SELECT語句。 3． PAGLOCK：指定添加頁面鎖（否則通常可能添加表鎖）。 4．READCOMMITTED：設(shè)置事務(wù)為讀提交隔離性級別。 5．READPAST: 跳過已經(jīng)加鎖的數(shù)據(jù)行，這個選項將使事務(wù)讀取數(shù)據(jù)時跳過那些已經(jīng)被其他事務(wù)鎖定的數(shù)據(jù)行，而不是阻塞直到其他事務(wù)釋放鎖，READPAST僅僅應(yīng)用于READ COMMITTED隔離性級別下事務(wù)操作中的SELECT語句操作。 6．READUNCOMMITTED：等同于NOLOCK。 7．REPEATABLEREAD：設(shè)置事務(wù)為可重復(fù)讀隔離性級別。 8．ROWLOCK：指定使用行級鎖。 9．SERIALIZABLE：設(shè)置事務(wù)為可串行的隔離性級別。 10．TABLOCK：指定使用表級鎖，而不是使用行級或頁面級的鎖，SQL Server在該語句執(zhí)行完后釋放這個鎖，而如果同時指定了HOLDLOCK，該鎖一直保持到這個事務(wù)結(jié)束。 11．TABLOCKX：指定在表上使用排它鎖，這個鎖可以阻止其他事務(wù)讀或更新這個表的數(shù)據(jù)，直到這個語句或整個事務(wù)結(jié)束。 12． UPDLOCK ：指定在讀表中數(shù)據(jù)時設(shè)置修改鎖（update lock）而不是設(shè)置共享鎖，該鎖一直保持到這個語句或整個事務(wù)結(jié)束，使用UPDLOCK的作用是允許用戶先讀取數(shù)據(jù)（而且不阻塞其他用戶讀數(shù)據(jù)），并且保證在后來再更新數(shù)據(jù)時，這一段時間內(nèi)這些數(shù)據(jù)沒有被其他用戶修改。 由上可見，在SQL Server中可以靈活多樣地為SQL語句顯式加鎖，若適當(dāng)使用，我們完全可以完成一些程序的特殊要求，保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。對于一般使用者而言，了解鎖機制并不意味著必須使用它。事實上，SQL Server建議讓系統(tǒng)自動管理數(shù)據(jù)庫中的鎖，而且一些關(guān)于鎖的設(shè)置選項也沒有提供給用戶和數(shù)據(jù)庫管理人員，對于特殊用戶，通過給數(shù)據(jù)庫中的資源顯式加鎖，可以滿足很高的數(shù)據(jù)一致性和可靠性要求，只是需要特別注意避免死鎖現(xiàn)象的出現(xiàn)。 （計算機世界報 第48期 D21、D22）
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