【CMU15-445 Part-9】Multi-Threaded Index Concurrency Control

Part09-Multi-Threaded Index Concurrency Control

多线程下索引的并发控制

Concurrency Control

强制所有访问数据结构的线程都使用某种协议或者某种方式。并发控制协议的概念：并发控制协议是一种当并发操作作用在一个共享对象上时DBMS用来确保correct的method。关心的正确性：逻辑正确性和物理正确性。

逻辑正确性：如果我正在访问该数据结构我希望看到的数据是我想看到的。

物理正确性：如何保护数据结构的内部表示。

segmentation falut 存储器区块错误，内存越界一般是。

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Latch Modes

Read Mode

• 允许多条线程在同一时间去读取同一个对象
• 即使其他线程有read mode latch，new thread也可以获得read latch

Write Mode

• exclusive latch，一次只有一个线程可以持有这个latch
• 写写冲突、写读冲突

Latch Implementations

1. Blocking OS Mutex

   1. std::mutex
   2. 具体在操作系统咋实现？Futex：fast userspace mutex，在用户空间中占据一点 1 bit 位置，来进行Compate And Swap操作，以获取这个latch，如果取到了就用，如果没取到就用OS层面mutex，速度相对慢。futex is spin latch

   std::mutex m;
   m.lock();
   // do something
   m.unlock();
   

2. Test-and-Set Spin Latch(TAS)

   1. 即使用一个spin latch 或者 TAS Spin Latch，非常高效，super fast，因为可以通过modern CPUS的单条指令来完成TAS动作，

   2. api: std::atomic 简化：atomic_flag = atomic

      std::atomic_flag latch;
      // ...
      while(latch.test_and_set(...)){
      	// come in when you don't get latch
      	// retry? yiled? abort?
      }
      

3. Reader-Writer Latch

   1. 涉及读写互斥以及读优先or写优先

      

Hash Table Latching

1. 所有的线程move同一个方向，一次只获取一个page 或者 slot。
2. 不会发生死锁
3. resize table的时候，会对header page加一个全局latch on the entire table，以保证在resize调整结束之前，组织别人对该table进行读写操作。

latch 粒度：

• Approach #1: Page Latches
  • 在每一个page上面使用一个reader writerlatch 来保护整个内容
  • 当线程访问page的时候，需要事先获得一个read or write latch
• Approach #2: Slot Latches
  • 每个slot有一个自己的latch
  • 可以使用一个single mode latch来减少meta-data and 计算代价

B+ Tree Latching

可能会遇到的问题：

1. 多个线程同时修改一个节点的内容
2. 一个线程正在遍历，而另外一个则导致了树结构的变化。

解决方案：latch crabbing/ coupling

允许多线程访问修改B+ Tree。

基本思想：

• 当我们使用一个节点的时候，就需要加一个latch，不管是write/read latch
• 想要访问子节点，要拿子节点的latch（下一个访问的latch）
• 如果移动到子节点是安全的，将父节点latch释放就是OK的
• Safe Node：进行一次修改的话，我们所在的节点无需拆分或者合并
  • 该节点not full（可以插入）
  • more than half-full（可以删除）

Find：

• 获得 Read Latch on child
• unlatch parent

Delete：

再到D的话，删除38，则D是安全状态，然后可以释放AB的latch

线程向下进行遍历的时候，会用stack来保存一路上所持有的latch。

Insert：

对于插入来说 B是安全的，可以释放A的latch

在D的时候不可以释放B，到最后插入的时候可以释放B and D。先B再D，提高效率

what’s the first step that all the update examples did on the B+ Tree?在Root上使用独占模式的latch或者写模式的latch进行加锁。 独占性（exclusive）

大多数的线程不需要对叶子节点进行拆分或者合并操作，所以拿read latch 而不是 write latch，在叶子节点使用write latch，判断需不需要拆分，不需要则拿read latch。如果在拆分或者merge的时候出错，abort在根节点重启，向下遍历这次获取write latch。

到达节点过程只拿read latch，执行删除的时候才去获取当前节点的write latch。

read latch会阻止任何人对这些节点进行写入和拆分操作

write latch则是阻止除了我之外的人对这些节点进行修改

通常情况下 在Page上使用悲观锁 效果比较好

Leaf Node Scans

这些线程都是从上到下（Top-down）遍历，所以不会产生死锁。

如果是一条线程从上到下扫描，另外一条做叶子结点扫描。

和之前的crabbing一样，获得了下一个latch才释放之前拥有的。

find 这种 read latch 不会deadlock

再来看T1 : delete 4 T2: find keys > 1

使用的是乐观锁机制latch coupling/crabbing 所以T1 T2都能拿到A的read latch。

当子节点读锁和写锁冲突的时候，T2最好不要等待T1结束，因为不知道T1要多久也不知道会不会增加形成死锁的可能，所以最好的解决方案是abort and restart. /! 可能会遇到starvation的问题。

Delayed Parent Updates

处理overflow情况下可以使用的一种额外优化手段（BlinkTree 才加了兄弟指针，现在B+ tree基本都加兄弟指针了）

当任意时刻 某个叶子节点出现overflow情况，延迟对父节点的更新操作。只需要更新树中全局信息表中的一点内容，当有人遍历这棵树，再去更新父节点。

添加一个该树的全局表，有人用的时候再去执行这个ADD 31调整结构。拆分玩并且添加完新节点之后，紧接着要进行下次修改的线程会接受这个改变并且对内容进行更新。

notoriously 出名的