postgres 源码解析50 LWLock轻量锁--1

简介

postgres LWLock（轻量级锁）是由SpinLock实现，主要提供对共享存储器的数据结构的互斥访问。LWLock有两种锁模式，一种为排他模式，另一种是共享模式，如果想要读取共享内存中的内容，需要在读取的内容加共享锁，这样便可和其他读操作并发执行，同时保证不会有其他进程修改这部分共享内存。当需要修改这部分内容时，需要加排他锁。排他锁与互斥锁不相容，必须等对象上所有的共享锁都释放之后才能尝试给对象加排他锁。

LWLock内存布局

LWLock介绍

对于数据库开发者而言，轻量锁有两者使用方法。一种是统一地保存在Individual LWLocks，另一种是Builtin Tranches。两者只是形式上的不同，本质上没有区别。目前PostgreSQL保存了47种Individual LWLock，详细信息保存在src/backend/storage/lmgr/lwlocknames.txt文件中，里面列举所有内置的Individual LWLocks。

#define ShmemIndexLock (&MainLWLockArray[1].lock)
#define OidGenLock (&MainLWLockArray[2].lock)
#define XidGenLock (&MainLWLockArray[3].lock)
#define ProcArrayLock (&MainLWLockArray[4].lock)
#define SInvalReadLock (&MainLWLockArray[5].lock)
#define SInvalWriteLock (&MainLWLockArray[6].lock)
#define WALBufMappingLock (&MainLWLockArray[7].lock)
#define WALWriteLock (&MainLWLockArray[8].lock)
#define ControlFileLock (&MainLWLockArray[9].lock)
#define XactSLRULock (&MainLWLockArray[11].lock)
#define SubtransSLRULock (&MainLWLockArray[12].lock)
#define MultiXactGenLock (&MainLWLockArray[13].lock)
#define MultiXactOffsetSLRULock (&MainLWLockArray[14].lock)
#define MultiXactMemberSLRULock (&MainLWLockArray[15].lock)
#define RelCacheInitLock (&MainLWLockArray[16].lock)
#define CheckpointerCommLock (&MainLWLockArray[17].lock)
#define TwoPhaseStateLock (&MainLWLockArray[18].lock)
#define TablespaceCreateLock (&MainLWLockArray[19].lock)
#define BtreeVacuumLock (&MainLWLockArray[20].lock)
#define AddinShmemInitLock (&MainLWLockArray[21].lock)
#define AutovacuumLock (&MainLWLockArray[22].lock)
#define AutovacuumScheduleLock (&MainLWLockArray[23].lock)
#define SyncScanLock (&MainLWLockArray[24].lock)
#define RelationMappingLock (&MainLWLockArray[25].lock)
#define NotifySLRULock (&MainLWLockArray[26].lock)
#define NotifyQueueLock (&MainLWLockArray[27].lock)
#define SerializableXactHashLock (&MainLWLockArray[28].lock)
#define SerializableFinishedListLock (&MainLWLockArray[29].lock)
#define SerializablePredicateListLock (&MainLWLockArray[30].lock)
#define SerialSLRULock (&MainLWLockArray[31].lock)
#define SyncRepLock (&MainLWLockArray[32].lock)
#define BackgroundWorkerLock (&MainLWLockArray[33].lock)
#define DynamicSharedMemoryControlLock (&MainLWLockArray[34].lock)
#define AutoFileLock (&MainLWLockArray[35].lock)
#define ReplicationSlotAllocationLock (&MainLWLockArray[36].lock)
#define ReplicationSlotControlLock (&MainLWLockArray[37].lock)
#define CommitTsSLRULock (&MainLWLockArray[38].lock)
#define CommitTsLock (&MainLWLockArray[39].lock)
#define ReplicationOriginLock (&MainLWLockArray[40].lock)
#define MultiXactTruncationLock (&MainLWLockArray[41].lock)
#define OldSnapshotTimeMapLock (&MainLWLockArray[42].lock)
#define LogicalRepWorkerLock (&MainLWLockArray[43].lock)
#define XactTruncationLock (&MainLWLockArray[44].lock)
#define WrapLimitsVacuumLock (&MainLWLockArray[46].lock)
#define NotifyQueueTailLock (&MainLWLockArray[47].lock)
#define NUM_INDIVIDUAL_LWLOCKS 48

上述这些Individual LWLock被保存在MainLWLockArray数组中，每种Individual LWLock都有自己要保护的对象。Individual LWLock的使用方式如下：
LWLockAcquire(ShemeIndexLock, LW_EXCLUSIVE);
//对保护对象进行写操作
LWLockRelease(ShemeIndexLock);

每一个Individual LWLock均有自身的全局标识tranche ID，用以区分 LWLock，因此可推断出MainLWLockArray数组中前 NUM_INDIVIDUAL_LWLOCKS个都是Individual LWLock。

与Individual LWLock不同，每个Builtin Tranche可能对应多个LWLocks,它代表的是一组LWLocks,这组LWLocks虽然各自封锁各自的内容，但是它们的功能相同。Builtin Tranche包含如下信息：

typedef enum BuiltinTrancheIds
{
LWTRANCHE_XACT_BUFFER = NUM_INDIVIDUAL_LWLOCKS,
LWTRANCHE_COMMITTS_BUFFER,
LWTRANCHE_SUBTRANS_BUFFER,
LWTRANCHE_MULTIXACTOFFSET_BUFFER,
LWTRANCHE_MULTIXACTMEMBER_BUFFER,
LWTRANCHE_NOTIFY_BUFFER,
LWTRANCHE_SERIAL_BUFFER,
LWTRANCHE_WAL_INSERT,
LWTRANCHE_BUFFER_CONTENT,
LWTRANCHE_REPLICATION_ORIGIN_STATE,
LWTRANCHE_REPLICATION_SLOT_IO,
LWTRANCHE_LOCK_FASTPATH,
LWTRANCHE_BUFFER_MAPPING,
LWTRANCHE_LOCK_MANAGER,
LWTRANCHE_PREDICATE_LOCK_MANAGER,
LWTRANCHE_PARALLEL_HASH_JOIN,
LWTRANCHE_PARALLEL_QUERY_DSA,
LWTRANCHE_PER_SESSION_DSA,
LWTRANCHE_PER_SESSION_RECORD_TYPE,
LWTRANCHE_PER_SESSION_RECORD_TYPMOD,
LWTRANCHE_SHARED_TUPLESTORE,
LWTRANCHE_SHARED_TIDBITMAP,
LWTRANCHE_PARALLEL_APPEND,
LWTRANCHE_PER_XACT_PREDICATE_LIST,
LWTRANCHE_PGSTATS_DSA,
LWTRANCHE_PGSTATS_HASH,
LWTRANCHE_PGSTATS_DATA,
LWTRANCHE_FIRST_USER_DEFINED
} BuiltinTrancheIds;

这些Builtin Tranche对应锁一部分被保存在mainLWLockArray数组中，另一部分被保存在使用它们的结构体中，如下所示：

for (i = 0; i < NUM_XLOGINSERT_LOCKS; i++)
{
LWLockInitialize(&WALInsertLocks[i].l.lock, LWTRANCHE_WAL_INSERT);
WALInsertLocks[i].l.insertingAt = InvalidXLogRecPtr;
WALInsertLocks[i].l.lastImportantAt = InvalidXLogRecPtr;
}

无论是Individual LWLock还是Builtin Tranche，它们都保存在共享内存中，只是保存的位置与方式略有不同。

extension LWLock :
同时，为方便用户在extension模块中使用轻量级锁，pg提供了两种扩展方法，通过RequestNameedLWLockTranche函数和GetNamedLWLockTranche函数实现。
方法一：通过RequestNamedLWLockTranche和GetNamedLWLockTranche函数实现。其中，RequestNamedLWLockTranche负责注册Tranche名称和所述轻量锁数目；GetNamedLWLockTranche函数根据Tranche Name获取对应强轻量锁。每个Tranche 都有自己唯一ID。
方法二：LWLockNewTrancheId函数获取TrancheID，后通过LWLockRegisterTranche函数建立联系，最后由LWLockInitalize函数初始化轻量锁。

关键数据结构

宏定义：

#define LW_FLAG_HAS_WAITERS ((uint32) 1 << 30)
#define LW_FLAG_RELEASE_OK ((uint32) 1 << 29)
#define LW_FLAG_LOCKED ((uint32) 1 << 28)
#define LW_VAL_EXCLUSIVE ((uint32) 1 << 24)
#define LW_VAL_SHARED 1
#define LW_LOCK_MASK ((uint32) ((1 << 25)-1))
/* Must be greater than MAX_BACKENDS - which is 2^23-1, so we’re fine. */
#define LW_SHARED_MASK ((uint32) ((1 << 24)-1))

在LWLock结构体中，设计原子变量用以缓解锁竞争问题，用以提升数据库的性能，其字段为state变量（类型为pg_atomic_uint32），该变量记录了锁当前的状态信息，共32位。其中低24位作为共享锁的计数区因为共享锁纸之间是相容的，因此有多个申请者同时申请共享锁，最多含有2^24 - 1个持有者。第24位作为排他锁标识。由于共享锁与互斥锁不相容，因此同一时间只能有一个持锁者，因此只需一个标识位即可。相关内容如下：