一、锁机制和多版本并发控制（MVCC）

锁是数据库并发控制中必不可少的功能。为了确保复杂事务能够安全地同时运行，PostgreSQL提供了各种级别的锁来控制对数据对象的并发访问，使对数据库关键部分的更改序列化。当多个事务同时在数据库中运行时，并发控制是一种用于维持一致性和隔离性的技术。在PostgreSQL中，使用快照隔离（Snapshot Isolation, SI）来实现多版本并发控制（MVCC），同时辅以两阶段锁定（2PL）机制。DDL（数据定义语言）操作使用2PL，而DML（数据操作语言）操作使用SI。

并发控制机制

• 快照隔离（Snapshot Isolation, SI）：用于处理DML操作（如SELECT、UPDATE、INSERT、DELETE），确保读操作和写操作互不干扰。它通过维护数据的多个版本，实现了“读不阻塞写，写不阻塞读”。

• 两阶段锁定（Two-Phase Locking, 2PL）：2PL用于处理DDL操作（如CREATE TABLE等），是关系数据库系统中保证数据完整性的经典并发控制机制之一。

两阶段锁定（2PL）详解

两阶段锁定将事务分为两个阶段：

1. 扩展阶段：

   • 在扩展阶段，事务可以获取锁，但不能释放锁。
   • 事务在操作数据项时会先加锁，以确保其他事务不能同时修改相同的数据。

2. 收缩阶段：

   • 在收缩阶段，事务开始释放锁，但不能再获取新的锁。
   • 当事务释放所有锁之后，其他事务才能操作这些数据项。

这种机制确保了事务在第一阶段（扩展阶段）内，对所有涉及的数据项加锁，防止其他事务进行相同数据项的读写操作。在第二阶段（收缩阶段），事务释放所有锁后，其他事务才能继续操作相同的数据项。

实际应用

1. DML操作（使用SI）：

   • 读取操作（SELECT）不会阻塞写入操作（UPDATE、INSERT、DELETE），反之亦然。
   • 通过维护数据的多个版本，实现高效的并发控制。

2. DDL操作（使用2PL）：

   • 例如，创建表（CREATE TABLE）时，必须确保操作的完整性和一致性，因此需要使用2PL。
   • 在扩展阶段加锁，防止其他事务修改相同的数据结构；在收缩阶段释放锁，允许其他事务继续操作。

对于常规应用，可以有：表级锁、行级锁、页级锁、咨询锁等等；

二、表级锁的八种类型

在常规表级锁中，有八种表级锁，每种锁有不同的排他级别。简单来说，不同的锁之间可能会相互冲突，但一个事务内连续获取冲突的锁是没问题的。

1. AccessShare Lock

• 描述：当执行SELECT查询，只读取数据时会用到这种锁。
• 适用场景：普通的SELECT查询。
• 冲突：只与AccessExclusive锁冲突。

2. RowShare Lock

• 描述：当执行SELECT FOR UPDATE或SELECT FOR SHARE查询时，会用到这种锁。
• 适用场景：需要读取并锁定行以防止其他事务修改。
• 冲突：与RowExclusive、ShareUpdateExclusive、Share、ShareRowExclusive、Exclusive和AccessExclusive锁冲突。

3. RowExclusive Lock

• 描述：当执行UPDATE、DELETE和INSERT操作时，会用到这种锁。
• 适用场景：修改表中数据。
• 冲突：与Share、ShareRowExclusive、Exclusive和AccessExclusive锁冲突。

4. ShareUpdateExclusive Lock

• 描述：一些在线维护操作（如VACUUM、ANALYZE、CREATE INDEX CONCURRENTLY等）会用到这种锁。
• 适用场景：在线维护操作。
• 冲突：与RowExclusive、Share、ShareRowExclusive、Exclusive和AccessExclusive锁冲突。

5. Share Lock

• 描述：当执行不带CONCURRENTLY的CREATE INDEX命令时，会用到这种锁。
• 适用场景：创建索引。
• 冲突：与RowExclusive、ShareUpdateExclusive、ShareRowExclusive、Exclusive和AccessExclusive锁冲突。

6. ShareRowExclusive Lock

• 描述：当创建排序规则、触发器和执行某些表修改操作时，会用到这种锁。
• 适用场景：创建排序规则、触发器和某些表修改操作。
• 冲突：与Share、ShareUpdateExclusive、RowExclusive、Exclusive和AccessExclusive锁冲突。

7. Exclusive Lock

• 描述：这种锁模式只允许并发的AccessShare锁，持有这种锁时只允许表的只读操作。
• 适用场景：需要限制表的修改，但允许读取。
• 冲突：与RowShare、RowExclusive、Share、ShareUpdateExclusive、ShareRowExclusive和AccessExclusive锁冲突。

8. AccessExclusive Lock

• 描述：这是最高级别的锁，与所有其他锁冲突，保证持有者是访问该表的唯一事务。
• 适用场景：执行DROP TABLE、TRUNCATE、REINDEX、CLUSTER、VACUUM FULL等操作时会用到这种锁。
• 冲突：与所有其他锁冲突。

三、行级锁：

行级锁：同一个事务可能会在相同的行上保持冲突的锁，甚至是在不同的子事务中。但是除此之外，两个事务永远不可能在相同的行上持有冲突的锁。行级锁不影响数据查询，它们只阻塞对同一行的写入者和加锁者。行级锁在事务结束时或保存点回滚的时候释放，就像表级锁一样。

行级锁主要包括以下几种：

• 共享锁（Share Lock, S-lock）：当一个事务正在读取一行数据时，它会在该行上设置共享锁。
  其他事务可以读取这行数据，但不能修改它，直到共享锁被释放。
• 排它锁（Exclusive Lock, X-lock）：当一个事务想要修改一行数据时，它会在该行上设置排它锁。
  这行数据不能被其他事务读取或修改，直到排它锁被释放。
• 其他类型：行共享锁、行排他锁等。

四、spin自旋锁：

自旋锁（spin lock）和互斥锁（mutex）类似，都是用来保证同一时间只有一个线程能够访问某个资源的锁机制。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程占用，那么这个线程会进入一个循环，不断检查锁是否可以获取，直到成功获取锁为止。在这个过程中，线程一直处于活跃状态，不会发生用户态到内核态的切换，也就是说，线程不会进入阻塞状态。这样可以减少不必要的上下文切换，提高执行速度。自旋锁不会导致线程进入阻塞状态，因此减少了上下文切换的开销，线程一直在用户态运行，执行速度较快。然而，自旋锁在等待期间不会释放CPU，如果持有自旋锁的线程长时间不释放锁，那么等待的线程会一直占用CPU资源，导致CPU时间的浪费。因此，自旋锁适用于锁持有时间较短的情况。在这种情况下，线程不希望在重新调度上花费过多时间，使用自旋锁可以提高性能。
总体来说，自旋锁和互斥锁都是保证资源独占访问的锁机制，但它们的工作方式不同。自旋锁通过不断尝试获取锁来保持线程活跃，减少了上下文切换的开销，因此执行速度较快，但也会消耗CPU资源。因此，自旋锁适用于锁持有时间短且频繁获取的场景，而互斥锁适用于锁持有时间较长的场景。
例如postgresql中的实现，主要是用TAS来进行实现的：

/*
 * s_lock(lock) - platform-independent portion of waiting for a spinlock.
 */
int
s_lock(volatile slock_t *lock, const char *file, int line, const char *func)
{
    SpinDelayStatus delayStatus;

    init_spin_delay(&delayStatus, file, line, func);

    while (TAS_SPIN(lock))
    {
        perform_spin_delay(&delayStatus);
    }

    finish_spin_delay(&delayStatus);

    return delayStatus.delays;
}

s_lock函数用于尝试获取一个自旋锁。如果锁已经被其他线程持有，当前线程将不断重试，直到成功获取锁。在此过程中，线程不会进入阻塞状态，而是保持活跃，通过反复检查锁的状态来实现锁的获取。
使用 init_spin_delay函数初始化 delayStatus结构体，该结构体记录了自旋锁的延迟状态，包括延迟的次数、文件名、行号和函数名等信息。这些信息主要用于调试和性能监控。

• 尝试获取锁：使用 TAS_SPIN(lock)函数尝试获取锁。如果锁已经被其他线程持有， TAS_SPIN(lock)将返回非零值，表示获取锁失败。如果获取锁失败，调用 perform_spin_delay(&delayStatus)函数来执行自旋延迟。自旋延迟的作用是通过短暂的忙等待或让出CPU来减少系统资源的浪费，并避免长时间的忙等待占用CPU。
• 成功获取锁：一旦成功获取锁，即 TAS_SPIN(lock)返回零值，退出循环。
• 完成自旋延迟状态：使用 finish_spin_delay(&delayStatus)函数完成自旋延迟状态的记录和处理。这一步通常用于记录自旋锁的获取情况，便于后续分析和调试。
• 返回延迟次数：函数最终返回 delayStatus.delays，表示在成功获取锁之前，自旋延迟的次数。这有助于评估锁竞争的激烈程度和系统性能。