CN102129391B - 一种数据库中自旋锁的实现方法 - Google Patents

一种数据库中自旋锁的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数据库中自旋锁的实现方法，其特征在于，一种数据库中自旋锁的实现方法，其特征在于，在共享内存中存储两个全局变量，一个是自旋锁变量，另一个是ID变量，系统初始化时两个变量被初始化为0;采用自旋锁变量高位存储值来记忆当前已持自旋锁线程，并根据该存储值在持锁线程异常退出导致死锁时，实现自旋锁自动解锁。本发明避免出现上述多个任务竞争同一个自旋锁时可能出现的死锁情况，并通过改进加锁流程及死锁判决流程，使自旋锁能够保护在数据结构上一段较长时间的操作，并能处理期间加锁线程的异常结束导致的死锁问题。

Description

一种数据库中自旋锁的实现方法
技术领域
本发明涉及数据库技术领域，尤其涉及到并发控制过程中对自旋锁的改进实现方法。
背景技术
在基于锁的事务并发控制技术中，数据库经常使用自旋锁来保护数据结构及在其上的操作。自旋锁开销极小，但是自旋锁只能保护数据结构的轻量访问，在自旋锁保护期间，不能有系统调用或系统中断，保护的时间非常短，一般只为几十个处理器周期。因为自旋锁原理简单，死锁的解决方法也很简单，通常采用固定时长的计时器对任务计时，一旦任务的计时时间到，紧接着的后续任务将直接自动解锁。正是因为这个原理，当存在多个任务竞争某一个自旋锁时，如果锁超时，则多个任务将同时认为锁超时，并各自对该自旋锁进行解锁并试图加锁，导致多个任务对同一个自旋锁加锁从而出现死锁的情况。由于存在该问题，导致自旋锁无法适应更加复杂的应用场景。
发明内容
为了扩展自旋锁的适用范围，允许任务在持锁期间进行较复杂、执行时间较为弹性的操作，本发明提供一种改进的自旋锁加锁和死锁判决方法。
本发明的技术方案为：
一种数据库中自旋锁的实现方法，其特征在于，在共享内存中存储两个全局变量，一个是自旋锁变量，另一个是ID变量，即用于产生ID值的变量，所有要使用此自旋锁的线程均要访问这两个变量，系统初始化时两个变量被初始化为0。
在加锁操作时，按如下步骤：
步骤101，用原子操作读取ID变量中的值，并将ID变量加1；
步骤102，将第101步中获取的ID值与自旋锁加锁后的自旋锁变量值合成第一变量值N，合成方法是：低位存储自旋锁变量，高位存储ID值；
步骤103，以原子操作访问自旋锁变量，尝试加锁操作；
步骤104，若自旋锁变量值为未占用，则加锁成功，将步骤102合成的第一变量值N以原子操作存入自旋锁变量，对自旋锁变量的访问和将值存于自旋锁变量是原子的；
步骤105，若自旋锁变量值为已占用，加锁不成功则进入死锁判决流程，如果未出现死锁，则处理器自旋等待，转入步骤103进行加锁尝试；如果判断出现死锁；则转入步骤106解自旋锁，并重新转入步骤103；
步骤106解自旋锁。
上述步骤105中所述的死锁判决流程，按如下步骤进行：
步骤201，将自旋锁变量的高位ID值存储于线程的一个临时变量中，记为LHold；
步骤202，将分配给此线程的ID值与自旋锁变量已加锁变量值合成第一变量值N；合成方法如下：第一变量值N低位存储自旋锁变量，高位存储ID值；
步骤203，原子操作探测自旋锁变量值，判断是否可以加锁；
步骤204，如果自旋锁可以加锁，则将第一变量值N存于自旋锁变量，其中对自旋锁变量的探测和存储是原子的，自旋锁加锁成功并返回；
步骤205，如果自旋锁不能被加锁，处理器空转一次；对空转次数累加计数；
步骤206，如果空转次数不超过设定阈值，则转入步骤203；否则转入步骤207；
步骤207，对休眠次数累计加1，判断休眠次数是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则转入步骤208；否则转入步骤211；
步骤208，将LHold与自旋锁加锁后的自旋锁变量值合成第二变量值Y，合成方法如下：Y的低位存储自旋锁加锁后的自旋锁变量值，高位存储LHold值；
步骤209，原子操作比较自旋锁变量值与Y值是否相等，如果相等，则判定自旋锁死锁，并将自旋锁解锁，其中判定自旋锁变量值与Y值相等的操作与自旋锁解锁的操作是原子的；
步骤210,重新获取自旋锁变量的高位ID值，存储于LHold，并将休眠计数清零，线程休眠一段随机时间，转入步骤211；
步骤211，线程休眠一次，休眠一段随机时间，随机时间在1毫秒到1秒之间，并将空转次数计数清零。
本发明采用将自旋锁变量以比特为单位分为两部分，高位和低位。自旋锁变量的高位bit中存储一个标识值，记为ID。ID为一个整数，用来映射加锁的线程。当自旋锁加锁不成功并且等锁超时的时候，通过获取自旋锁变量高位ID，来判断在超时前后是否是同一个ID值存储在自旋锁变量里，如果是同一个ID，则认为此ID对应的线程已经异常退出，发生了死锁，则对自旋锁进行解锁操作。
自旋锁变量高位与低位的分配方式如下：选取低位的1bit来标识自旋锁的状态；在剩余的bit中选择若干位存储ID。ID的分配方法如下：设计一个无符号全局共享变量，取值范围与ID的范围相同，加锁线程请求自旋锁前先使用原子操作对此变量做累计加1操作，返回变量的值即为此线程要使用的ID值。由于变量累计加1操作，时间上相近的线程不会获取相同的ID，保证了ID与线程的一一映射关系。
本发明的有益效果是通过扩展自旋锁的存储空间，不仅存储自旋锁状态，并且保存最后加锁成功的任务的操作标识符，从而避免出现上述多个任务竞争同一个自旋锁时可能出现的死锁情况。此外，改进加锁流程及死锁判决流程，使自旋锁能够保护在数据结构上一段较长时间的操作，并能处理期间加锁线程的异常结束导致的死锁问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。
图1为自旋锁加锁流程。
图2为自旋锁死锁判决流程。
具体实施方式
在共享内存中存储两个全局变量，一个是自旋锁变量，另一个是用于产生ID值的变量，我们称其为ID变量。所有要使用此自旋锁的线程均要访问这两个变量，系统初始化时两个变量被初始化为0。
自旋锁加锁步骤如下：
步骤101，线程从ID变量中获取ID值。ID值产生方法如下：用原子操作读取ID变量中的值，并将ID变量加1。由于读值操作与加1操作是原子的，因此多线程相近时间内访问此ID变量时，不会获取相同的ID值。
步骤102，将第101步中获取的ID值与自旋锁加锁后的自旋锁变量值合成第一变量值N。当加锁过程中需要判定是否发生死锁时，按如下步骤：
步骤103，以原子操作访问自旋锁变量，尝试加锁操作。
步骤104，若自旋锁变量值为未占用，则加锁成功，将步骤102合成的第一变量值N以原子操作存入自旋锁变量，对自旋锁变量的访问和将值存于自旋锁变量是原子的；
步骤105，若自旋锁变量值为已占用，加锁不成功则进入死锁判决流程。如果未出现死锁，则处理器自旋等待，转入步骤103进行加锁尝试；如果判断出现死锁；则转入步骤106解自旋锁，并重新转入步骤103；
步骤106解自旋锁。
上述步骤105中所述的死锁判决流程，按如下步骤进行：
步骤201，将自旋锁变量的高位ID值存储于线程的一个临时变量中，记为LHold；
步骤202，将分配给此线程的ID值与自旋锁变量已加锁变量值合成第一变量值N；合成方法如下：第一变量值N低位存储自旋锁变量，高位存储ID值；
步骤203，原子操作探测自旋锁变量值，判断是否可以加锁；
步骤204，如果自旋锁可以加锁，则将第一变量值N存于自旋锁变量，其中对自旋锁变量的探测和存储是原子的，自旋锁加锁成功并返回；
步骤205，如果自旋锁不能被加锁，处理器空转一次；对空转次数累加计数；
步骤206，如果空转次数不超过设定阈值，则转入步骤203；否则转入步骤207；
步骤207，对休眠次数累计加1，判断休眠次数是否超过设定阈值，
如果超过设定阈值则转入步骤208；否则转入步骤211；
步骤208，将LHold与自旋锁加锁后自旋锁变量值合成第二变量值Y，合成方法如下：Y的低位存储自旋锁加锁后自旋锁变量值，高位存储LHold值；
步骤209，原子操作比较自旋锁变量值与Y值是否相等，如果相等，则判定自旋锁死锁，并将自旋锁解锁，其中判定自旋锁变量值与Y值相等的操作与自旋锁解锁的操作是原子的；
步骤210,重新获取自旋锁变量的高位ID值，存储于LHold，并将休眠计数清零，线程休眠一段随机时间，转入步骤211；
步骤211，线程休眠一次，休眠一段随机时间，随机时间在1毫秒到1秒之间，并将空转次数计数清零。合成方法是：低位存储锁变量状态，高位存储ID值。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种数据库中自旋锁的实现方法，其特征在于，在共享内存中存储两个全局变量，一个是自旋锁变量，另一个是ID变量，系统初始化时两个变量被初始化为0;
在加锁操作时，按如下步骤：
步骤101，用原子操作读取ID变量中的值，并将ID变量加1；
步骤102，将第101步中读取的ID值与自旋锁加锁后的的自旋锁变量值合成第一变量值N，合成方法是：低位存储自旋锁变量，高位存储ID值；
步骤103，以原子操作访问自旋锁变量，尝试加锁操作；
步骤104，若自旋锁变量值为未占用，则加锁成功，将步骤102合成的第一变量值N以原子操作存入自旋锁变量，对自旋锁变量的访问和将值存于自旋锁变量是原子的；
步骤105，若自旋锁变量值为已占用，加锁不成功则进入死锁判决流程，如果未出现死锁，则处理器自旋等待，转入步骤103进行加锁尝试；如果判断出现死锁；则转入步骤106解自旋锁，并重新转入步骤103；
步骤106，解自旋锁；
上述步骤105中所述的死锁判决流程，按如下步骤进行：
步骤201，将自旋锁变量的高位ID值存储于线程的一个临时变量中，记为LHold；
步骤202，将分配给此线程的ID值与自旋锁变量已加锁变量值合成第一变量值N；合成方法如下：第一变量值N低位存储自旋锁变量，高位存储ID值；
步骤203，原子操作探测自旋锁变量值，判断是否可以加锁；
步骤204，如果自旋锁可以加锁，则将第一变量值N存于自旋锁变量，其中对自旋锁变量的探测和存储是原子的，自旋锁加锁成功并返回；
步骤205，如果自旋锁不能被加锁，处理器空转一次；对空转次数累加计数；
步骤206，如果空转次数不超过设定阈值，则转入步骤203；否则转入步骤207；
步骤207，对休眠次数累计加1，判断休眠次数是否超过设定阈值，如果超过设定阈值则转入步骤208；否则转入步骤211；
步骤208，将LHold与自旋锁加锁后的自旋锁变量值合成第二变量值Y，合成方法如下：Y的低位存储自旋锁加锁后的自旋锁变量值，高位存储LHold值；
步骤209，原子操作比较自旋锁变量值与Y值是否相等，如果相等，
则判定自旋锁死锁，并将自旋锁解锁，其中判定自旋锁变量值与Y值相等的操作与自旋锁解锁的操作是原子的；
步骤210,重新获取自旋锁变量的高位ID值，存储于LHold，并将休眠计数清零，线程休眠一段随机时间，转入步骤211；
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