二阶段提交 2PL

什么是 2PL

2PL（Two-Phase Locking），二阶段锁定，是数据库唯一广泛使用的一种可串行化算法。

有时也称为严格两阶段锁定(SS2PL, strong strict two-phase locking)，用来区分其他2PL的变体。

2PL 的特点是允许多个事务同时读取同一个对象，但对象只要有写入（修改或删除），就需要独占访问（exclusive access）的权限：

• 如果事务A读取一个对象，并且事务B想要写入该对象，那么B必须等到A提交或终止才能继续；
• 如果事务A写入一个对象，并且事务B想读取该对象，则B必须等到A提交或终止才能继续；

因此，在2PL中，写入会阻塞其他写入，也会阻塞读，反之，读也会阻塞其他写入。2PL提供了可串行化的性质，可以防止我们之前在数据库事务提到过的所有竞争条件。

2PL用于 MySQL （InnoDB）和 SqlServer 中的可串行化隔离级别。

2PL 的具体实现

读与写的阻塞是通过为数据库中每个对象添加锁来实现的。锁可以处于 共享模式（shared mode） 或 独占模式（exclusive mode） ：

• 若事务要读取对象，则须先以共享模式获取锁。允许多个事务同时持有共享锁。但如果有事务已经在该对象上持有排它锁，则这些事务必须等待；
• 若事务要写入一个对象，则必须先以独占模式获取该锁。如果对象上存在其他事务的任何锁，当前事务必须等待；
• 若事务先读取再写入对象，则它需要将其共享锁升级为独占锁，升级锁的过程和获取锁的过程相同；
• 事务的整个执行过程分为两个阶段：扩展阶段获取锁，不允许释放锁。收缩阶段释放所有锁，且无法获取其他锁。这就是两阶段的由来。对于数据库事务，扩展阶段意味着事务从开始到结束为止可以获取锁，而收缩阶段表示提交或终止事务，所有获取到的锁被释放。

谓词锁

谓词锁属于所有符合搜索条件的对象，即使数据库目前还不存在该对象。例如：

1
select * from bookings
2
where room_id = 123 and
3
  end_time > '2018-01-01 12:00' and
4
  start_time < '2018-01-01 13:00';

谓词锁的限制：

• 如果事务A想要读取匹配某些条件的对象，就像这个 select 语句查询中那样，它必须获取查询条件上的 共享谓词锁(shared-mode predicate lock)。如果另一个事务B持有任何满足这一查询条件对象的排它锁，那么A必须等到B释放它的锁之后才允许进行查询；
• 如果事务A想要插入，更新或者删除任何对象，则首先需要检查旧值或新值是否与任何现有的谓词锁匹配。如果事务B持有匹配的谓词锁，那么A必须等到B提交或终止后才能继续。

这里的关键思想是，谓词锁甚至适用于数据库中尚不存在，但将来可能会添加的对象（幻象）。如果两阶段锁定包含谓词锁，则数据库将阻止所有形式的异相，因此其隔离实现了可串行化。

索引范围锁

谓词锁性能不佳：如果活跃事务持有很多锁，检查匹配的锁会非常耗时，大多数数据库在实际中是使用索引范围锁（index-range locking，也称为 next-key locking），这是一个简化的近似版谓词锁，通过锁定比谓词锁更大的范围来近似模拟谓词锁。这种方式也能实现谓词锁的功能，并且开销更低，是一个很好的折衷。

如果没有可以挂载范围锁的索引，数据库可以退化到使用整个表上的共享锁。这是一个安全的回退策略。

参考

本文参考了如下文章：

• B+树数据库加锁历史
• DDIA关于2PL的部分章节
• 浅析数据库并发控制机制