深入理解mutex工作机制

0. summary

1. 什么是mutex
2. Oracle 11gR2中包含的mutex
3. mutex的工作方式
.   3.1 影响mutex工作的隐含参数
.       3.1.1 10g/11.2.0.1模式
.       3.1.2 patch 6904068模式
.   3.2 mutex的spin和mutex_spin_count控制

1. 什么是mutex

可以认为是一种更加轻量级的latch, 两者的区别在于：mutex是内存结构本身所包含，随着内存的分配而分配、销毁而销毁，latch是一种独立的内存结构。基于这个特性，mutex保护的内存结构更细粒度，并发性、支持性要好于latch.

与shared latch一样可使mutex用cas模式申请latch. 因此也可以把mutex当成一种shared latch, 只是其粒度更细，更加轻量级。mutex采用spin+FIRO策略，而shared latch采用spin+FIFO策略。更多详细关于mutex的原理可以参见：

https://andreynikolaev.wordpress.com/

从10.2.0.2版本开始，oracle的mutex机制逐步替代了传统的library cache的一些机制。

2. Oracle 11gR2中包含的mutex

#### 10.2.0.5 ####

SYS@panda>select name,level# from v$latch where name like 'library cache%';

NAME                               LEVEL#
-------------------------------------------------- ----------
library cache                           5
library cache lock                      6
library cache load lock                     5
library cache pin allocation                    3
library cache hash chains                   9
library cache lock allocation                   3
library cache pin                       6

#### 11.2.0.4 ####

SYS@bbed>select name,level# from v$latch where name like 'library cache%';

NAME                                     LEVEL#
---------------------------------------------------------------- ----------
library cache load lock                           5

不同版本中，对于library cache的latch变化较大，特别是从Oracle 10gR2(10.2.0.2)开始，引入了mutex来替代cursor的latch. 在该版本上通过隐含参数_kks_use_mutex_pin的调整可以限制是否使用Mutex机制来实现Cursor Pin.

NAME                           VALUE                DESCRIB
------------------------------ -------------------- ------------------------------------------------------------
_kks_use_mutex_pin             TRUE                 Turning on this will make KKS use mutex for cursor pins.

mutex与latch的对应关系如下：

mutex	latch	mutex wait event
cursor pin	library cache pin	cursor: pin S、cursor: pin X、cursor: pin S on X
cursor parent	library cache lock	cursor: mutex X、cursor: mutex S
cursor stat	library cache lock	cursor: mutex S
library cache	library cache	library cache: mutex X、library cache: mutex S
hash table	library cache (child cursor)	cursor: mutex X、cursor: mutex S
cursor parent	library cache lock (child cursor)	cursor: mutex X、cursor: mutex S

3. mutex的工作方式

申请mutex.
如果成功，则持有该mutex
如果失败，则进行spin. spin的过程就是在线等待mutex, 不断发起mutex gets, 直到获得mutex或者达到spin_count限制为止。
依据工作模式的不同选择yiled还是sleep.
若达到sleep限制或者被主动唤醒或者完成yiled, 则重复1)~4)步，直到获得为止。

3.1 影响mutex工作的隐含参数

以下参数在11.2.0.2以上才有

PANDA@bbed>show parameter mutex

NAME                     TYPE    VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
_mutex_spin_count            integer     255                ---- 设置mutex spin count, 默认255
_mutex_wait_scheme           integer     2              ---- 控制mutex的工作模式，默认为2. 可选择0、1、2
_mutex_wait_time             integer     1              ---- 设置在工作模式1、2下的sleep时间


PANDA@bbed>show parameter yield

NAME                     TYPE    VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
_wait_yield_hp_mode          string  yield              ---- 设置mutex yield的优先级
_wait_yield_mode             string  yield              ---- 这是yield的工作方式，默认为yield. 可选择yield和sleep. 表示mutex在失败后先yield还是sleep
_wait_yield_sleep_freq           integer     100                ---- sleep的次数，与_wait_yield_sleep_time_msecs一起构成sleep时间
_wait_yield_sleep_time_msecs         integer     1              ---- 每次yield后进入sleep的sleep时间
_wait_yield_yield_freq           integer     20             ---- yield的次数

_mutex_wait_scheme=1 ---- 在mutex gets失败后总是简单yield两次，然后进入sleep, sleep的时间由_mutex_wait_time设置。
_mutex_wait_scheme=2 ---- 传统模式，和模式1的区别在于，随着时间推移，sleep time等待的时间越来越长。_mutex_wait_time设置了其最长的等待时间。
_mutex_wait_scheme=0 ---- 最为灵活的工作方式，在mutex gets失败后，依据_wait_yield_mode选择进入yield还是进入sleep, yield次数受到_wait_yield_yield_freq控制。sleep time受_wait_yield_sleep_time_msecs*_wait_yield_sleep_freq的控制。可以通过参数控制使scheme 0获得任意工作方式包括10g工作方式。

由于mutex采用了传统的spin+sleep机制而不是latch的spin+post机制，所以sleep time的设置对于mutex性能具有重要地位，一般来说由于mutex的冲突远比latch要小，所以合适的yield和更小的sleep选择是恰当的。一般情况不需要改动，默认都是1ms.

不同模式的比较可以参考：

https://andreynikolaev.wordpress.com/2012/07/30/mutex-waits-part-iii-contemporary-oracle-wait-schemes-diversity/

3.1.1 10g/11.2.0.1模式

不包含sleep, 只在简单yield之后进行不断的mutex spin. 显然，在冲突不发生的情况下会有最好的性能，但是在有冲突的时候可能会消耗很高的CPU资源。

3.1.2 patch 6904068模式

Resolving Issues Where High CPU utilization and 'cursor: pin S' waits are Seen Due to Bug 6904068 (文档 ID 1476113.1)

This fix is intended for one off patches only and usually uses "_first_spare_parameter" to indicate the number of centiseconds
to wait when pausing for "cursor: pin S" waits. A value of 0 mimicks current behaviour which is to yield between tries.

对10g模式的一种修正，增加了sleep部分以降低CPU消耗，sleep时间收到参数_first_spare_parameter的控制

NAME                     TYPE    VALUE
------------------------------------ ----------- ------------------------------
_first_spare_parameter           integer

在Solaris SPARC 10.2.0.4这个参数是_second_spare_parameter.

3.2 mutex的spin和mutex_spin_count控制

mutex的spin次数受mutex_spin_count控制，默认为255. 该参数可以动态修改。

SYS@bbed>alter system set "_mutex_spin_count"=2000;

System altered.

某些时候，该值可能需要适当增大来获取更好的性能。设置方法可参考latch的spin count设置方法。v$mutex_sleep_history视图包含相关的gets和sleep信息。

SYS@bbed>select gets,sleeps,mutex_type from v$mutex_sleep_history;

      GETS     SLEEPS MUTEX_TYPE
---------- ---------- --------------------------------
     1      3 Cursor Pin
      6328      1 Library Cache

关于mutex_spin_conut设置对mutex响应性能的影响可参考：

https://andreynikolaev.files.wordpress.com/2012/05/exploring_mutexes_oracle_11_2_retrial_spinlocks.pdf