数据库内核RocksDB事务锁设计与实现

本文主要介绍 RocksDB 锁结构设计、加锁解锁过程，并与 InnoDB 锁实现做一个简单对比。
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作者：王刚，网易杭研数据库内核开发工程师

MyRocks 引擎目前是支持行锁的，包括共享锁和排它锁，主要是在 RocksDB 层面实现的，与 InnoDB 引擎的锁系统相比，简单很多。

本文主要介绍 RocksDB 锁结构设计、加锁解锁过程，并与 InnoDB 锁实现做一个简单对比。

事务锁的实现类是：TransactionLockMgr ，它的主要数据成员包括：

private:  PessimisticTransactionDB* txn_db_impl_;  // 默认16个lock map 分片  const size_t default_num_stripes_;  // 每个column family 最大行锁数  const int64_t max_num_locks_;  // lock map 互斥锁  InstrumentedMutex lock_map_mutex_;  // Map of ColumnFamilyId to locked key info  using LockMaps = std::unordered_map<uint32_t, std::shared_ptr<LockMap>>;  LockMaps lock_maps_;  std::unique_ptr<ThreadLocalPtr> lock_maps_cache_;  // Must be held when modifying wait_txn_map_ and rev_wait_txn_map_.  std::mutex wait_txn_map_mutex_;  // Maps from waitee -> number of waiters.  HashMap<TransactionID, int> rev_wait_txn_map_;  // Maps from waiter -> waitee.  HashMap<TransactionID, TrackedTrxInfo> wait_txn_map_;  DeadlockInfoBuffer dlock_buffer_;  // Used to allocate mutexes/condvars to use when locking keys  std::shared_ptr<TransactionDBMutexFactory> mutex_factory_;

加锁的入口函数是：TransactionLockMgr::TryLock

Status TransactionLockMgr::TryLock(PessimisticTransaction* txn, //加锁的事务                                   uint32_t column_family_id, //所属的CF                                   const std::string& key, //加锁的健 Env* env,                                   bool exclusive //是否排它锁) {  // Lookup lock map for this column family id  std::shared_ptr<LockMap> lock_map_ptr = GetLockMap(column_family_id); //1. 根据 cf id 查找其 LockMap  LockMap* lock_map = lock_map_ptr.get();  if (lock_map == nullptr) {    char msg[255];    snprintf(msg, sizeof(msg), "Column family id not found: %" PRIu32,             column_family_id);    return Status::InvalidArgument(msg);  }  // Need to lock the mutex for the stripe that this key hashes to  size_t stripe_num = lock_map->GetStripe(key);// 2. 根据key 的哈希获取 stripe_num,默认16个stripe  assert(lock_map->lock_map_stripes_.size() > stripe_num);  LockMapStripe* stripe = lock_map->lock_map_stripes_.at(stripe_num);  LockInfo lock_info(txn->GetID(), txn->GetExpirationTime(), exclusive);  int64_t timeout = txn->GetLockTimeout();  return AcquireWithTimeout(txn, lock_map, stripe, column_family_id, key, env,                            timeout, lock_info); // 实际加锁函数

GetLockMap(column_family_id) 函数根据 cf id 查找其 LockMap , 其逻辑包括两步：

在 thread 本地缓存 lock_maps_cache 中查找；
第1步没有查找到，则去全局的 lock_map_ 中查找。

std::shared_ptr<LockMap> TransactionLockMgr::GetLockMap(    uint32_t column_family_id) {  // First check thread-local cache  if (lock_maps_cache_->Get() == nullptr) {    lock_maps_cache_->Reset(new LockMaps());  }  auto lock_maps_cache = static_cast<LockMaps*>(lock_maps_cache_->Get());  auto lock_map_iter = lock_maps_cache->find(column_family_id);  if (lock_map_iter != lock_maps_cache->end()) {    // Found lock map for this column family.    return lock_map_iter->second;  }  // Not found in local cache, grab mutex and check shared LockMaps  InstrumentedMutexLock l(&lock_map_mutex_);  lock_map_iter = lock_maps_.find(column_family_id);  if (lock_map_iter == lock_maps_.end()) {    return std::shared_ptr<LockMap>(nullptr);  } else {    // Found lock map.  Store in thread-local cache and return.    std::shared_ptr<LockMap>& lock_map = lock_map_iter->second;    lock_maps_cache->insert({column_family_id, lock_map});    return lock_map;  }}

lock_maps_ 是全局锁结构：

 // Map of ColumnFamilyId to locked key info  using LockMaps = std::unordered_map<uint32_t, std::shared_ptr<LockMap>>;  LockMaps lock_maps_;

LockMap 是每个 CF 的锁结构：

struct LockMap {  // Number of sepearate LockMapStripes to create, each with their own Mutex  const size_t num_stripes_;  // Count of keys that are currently locked in this column family.  // (Only maintained if TransactionLockMgr::max_num_locks_ is positive.)  std::atomic<int64_t> lock_cnt{0};  std::vector<LockMapStripe*> lock_map_stripes_;};

为了减少加锁时mutex 的争用，LockMap 内部又进行了分片，num_stripes_ = 16(默认值)，
LockMapStripe 是每个分片的锁结构：

struct LockMapStripe {  // Mutex must be held before modifying keys map  std::shared_ptr<TransactionDBMutex> stripe_mutex;  // Condition Variable per stripe for waiting on a lock  std::shared_ptr<TransactionDBCondVar> stripe_cv;  // Locked keys mapped to the info about the transactions that locked them.  // TODO(agiardullo): Explore performance of other data structures.  std::unordered_map<std::string, LockInfo> keys;};

LockMapStripe 内部还是一个 unordered_map, 还包括 stripe_mutex、stripe_cv 。这样设计避免了一把大锁的尴尬，减小锁的粒度常用的方法，LockInfo 包含事务id:

struct LockInfo {  bool exclusive;  autovector<TransactionID> txn_ids;  // Transaction locks are not valid after this time in us  uint64_t expiration_time;};

LockMaps 、LockMap、LockMapStripe 、LockInfo就是RocksDB 事务锁用到的数据结构了，可以看到并不复杂，代码实现起来简单，代价当然也有，后文在介绍再介绍。

AcquireWithTimeout 函数内部先获取 stripe mutex ，获取到了在进入AcquireLocked 函数：

if (timeout < 0) {    // If timeout is negative, we wait indefinitely to acquire the lock    result = stripe->stripe_mutex->Lock();  } else {    result = stripe->stripe_mutex->TryLockFor(timeout);  }

获取了 stripe_mutex之后，准备获取锁：

// Acquire lock if we are able to  uint64_t expire_time_hint = 0;  autovector<TransactionID> wait_ids;  result = AcquireLocked(lock_map, stripe, key, env, lock_info,                         &expire_time_hint, &wait_ids);

AcquireLocked 函数实现获取锁逻辑，它的实现逻辑是：

在 stripe 的 map 中查找该key 是否已经被锁住。
如果key没有被锁住，判断是否超过了max_num_locks_，没超过则在 stripe的map 中插入{key, txn_lock_info}，超过了max_num_locks_，加锁失败，返回状态信息。
如果key已经被锁住了，要判断加在key上的锁是排它锁还是共享锁，如果是共享锁，那事务的加锁请求可以满足；
如果是排它锁，如果是同一事务，加锁请求可以满足，如果不是同一事务，如果锁没有超时，则加锁请求失败，否则抢占过来。

以上是加锁过程，解锁过程类似，也是需要根据cf_id 和 key 计算出落到哪个stripe上，然后就是从map中把数据清理掉，同时还要唤醒该stripe上的等待线程，这个唤醒的粒度有点大。

void TransactionLockMgr::UnLock(PessimisticTransaction* txn,                                uint32_t column_family_id,                                const std::string& key, Env* env) {  std::shared_ptr<LockMap> lock_map_ptr = GetLockMap(column_family_id);//通过cf_id 获取Lock_Map  LockMap* lock_map = lock_map_ptr.get();  if (lock_map == nullptr) {    // Column Family must have been dropped.    return;  }  // Lock the mutex for the stripe that this key hashes to  size_t stripe_num = lock_map->GetStripe(key);//根据key 计算落到哪个stripe上  assert(lock_map->lock_map_stripes_.size() > stripe_num);  LockMapStripe* stripe = lock_map->lock_map_stripes_.at(stripe_num);  stripe->stripe_mutex->Lock();  UnLockKey(txn, key, stripe, lock_map, env); //从锁的map中清理掉该key  stripe->stripe_mutex->UnLock();  // Signal waiting threads to retry locking  stripe->stripe_cv->NotifyAll();}

rocksdb lock整体结构如下：

如果一个事务需要锁住大量记录，rocksdb 锁的实现方式可能要比innodb 消耗更多的内存，innodb 的锁结构如下图所示：

由于锁信息是常驻内存，我们简单分析下RocksDB锁占用的内存。每个锁实际上是unordered_map中的一个元素，则锁占用的内存为key_length+8+8+1，假设key为bigint，占8个字节，则100w行记录，需要消耗大约22M内存。但是由于内存与key_length正相关，导致RocksDB的内存消耗不可控。我们可以简单算算RocksDB作为MySQL存储引擎时，key_length的范围。对于单列索引，最大值为2048个字节，具体可以参考max_supported_key_part_length实现；对于复合索引，索引最大长度为3072个字节，具体可以参考max_supported_key_length实现。

假设最坏的情况，key_length=3072，则100w行记录，需要消耗3G内存，如果是锁1亿行记录，则需要消耗300G内存，这种情况下内存会有撑爆的风险。因此RocksDB提供参数配置rocksdb_max_row_locks，确保内存可控，默认rocksdb_max_row_locks设置为1048576，对于大部分key为bigint场景，极端情况下，也需要消耗22G内存。而在这方面，InnoDB则比较友好，hash表的key是(space_id, page_no)，所以无论key有多大，key部分的内存消耗都是恒定的。InnoDB在一个事务需要锁大量记录场景下是有优化的，多个记录可以公用一把锁，这样也间接可以减少内存。

总结

RocksDB 事务锁的实现整体来说不复杂，只支持行锁，还不支持gap lock ，锁占的资源也比较大，可通过rocksdb_max_row_locks 限制事务施加行锁的数量。

利益相关：

网易轻舟微服务，提供分布式事务框架GTXS，支持跨服务事务、跨数据源事务、混合事务、事务状态监控、异常事务处理等能力，应用案例工商银行。