Insight h2database 更新、读写锁以及事务原理
文章基于 RegularTable 来分析和拆解更新操作。
锁模型比较简单，方便了解更新的整个流程。并发读写的实现在 MVStore 存储引擎中分析。
主要关注数据更新的实现、事务的提交和回滚。
相关概念
讨论更新操作，就需要涉及到事务隔离级别以及事务的概念。
也就是讨论如何控制并发读写的问题、以及undolog 的问题。
①MVCC
multi version concurrency。在 h2database 实现中，只有 MVStore 存储引擎支持该特性。MVCC 实现原理参考《Insight h2database MVCC 实现原理》。
/**
* Check if multi version concurrency is enabled for this database.
* @see org.h2.engine.Database#isMultiVersion
*/
public boolean isMultiVersion() {
// this.multiVersion = ci.getProperty("MVCC", dbSettings.mvStore);
return multiVersion;
}
/**
* 通过设置或者版本确定是否启用 MVStore 存储引擎
* @see org.h2.engine.DbSettings#mvStore
*/
public boolean mvStore = get("MV_STORE", Constants.VERSION_MINOR >= 4);
②事务隔离级别
the isolation level. 在 h2database 中，通过 LOCK_MODE 体现。不同的锁定模式决定了事务级别。参考命令 SET LOCK_MODE int。
-
SET LOCK_MODE 命令是数据库级别的，影响全局（affects all connections）。
-
默认的事务隔离级别为 READ_COMMITTED。但只限在 MVStore 存储引擎中。
-
对于 RegularTable 只存在两种级别：READ_UNCOMMITTED， SERIALIZABLE。
-
READ_UNCOMMITTED，即无锁定模式（仅用于测试）
-
SERIALIZABLE，不同事务（session）读写互斥。可以防止脏读、不可重复读和幻读，但是效率较低，因为它会锁定所涉及的全部表，直到整个事务完成。
RegularTable 表级独占锁
更新流程中，首先会调用 table.lock(session, exclusive = true, false);
在 RegularTable 中，表会按照 session 粒度控制并发度。这个方法只能当前 session 可重入，其他 session 想 lock 成功，需要等待当前会话释放锁。
①独占锁示例
-- session 1 更新数据并持有锁
SET AUTOCOMMIT OFF;
update city set code = 'bjx' where id = 9;
-- session 2 获取锁超时，异常
select * from city where id = 5;
Timeout trying to lock table "CITY"; SQL statement:
select * from city where id = 5 [50200-184] HYT00/50200
②独占锁实现
Java 经典的多线程同步示例。同时包含了死锁检测的实现方案。
/**
* 通过会话，给表加锁。
* 如果要加写锁，会存在等待锁的情况。
* 如果发生锁超时，将抛出DbException异常。如上示例。
* @param session 当前会话
* @param exclusive 如果为true，表示需要写锁；如果为false，表示需要读锁。写锁是排他的，即在同一时间只能有一个线程持有写锁。读锁是共享的，即在同一时间可以有多个线程持有读锁。
* @see org.h2.table.RegularTable#lock
*/
public boolean lock(Session session, boolean exclusive, boolean forceLockEvenInMvcc) {
int lockMode = database.getLockMode();
// 无锁模式，直接返回。
if (lockMode == Constants.LOCK_MODE_OFF) {
// 返回是否存在独占 session, 没有使用到，约等于无，不用关注。
return lockExclusiveSession != null;
}
// 如果是当前 session 独占，相当于锁重入（如果一个会话已经持有了这个表的独占锁，那么它可以再次获取这个锁，而不会被自己阻塞。）
if (lockExclusiveSession == session) {
return true;
}
synchronized (database) {
// double check
if (lockExclusiveSession == session) {
return true;
}
// 读锁，共享，直接返回。
if (!exclusive && lockSharedSessions.contains(session)) {
return true;
}
// 写锁，进入等待队列
session.setWaitForLock(this, Thread.currentThread());
waitingSessions.addLast(session);
try {
// while 循环出队列加锁 or 等待加锁。
// 真正的加锁在 doLock2 方法中。根据读写锁不同(exclusive), 执行不同的操作。
doLock1(session, lockMode, exclusive);
} finally {
session.setWaitForLock(null, null);
waitingSessions.remove(session);
}
}
return false;
}
RegularTable 更新流程
了解独占锁的工作机制后，对于数据更新事务的原子性、一致性、隔离级别就没有疑问了。以下主要列出数据更新的主流程，比如查找并更新，触发器时机。
/**
* 执行数据更新
* @see org.h2.command.dml.Update#update
*/
public int update() {
// 记录哪些数据需要更新。
RowList rows = new RowList(session);
try {
Table table = tableFilter.getTable();
session.getUser().checkRight(table, Right.UPDATE);
// 尝试添加写锁（独占锁）
table.lock(session, true, false);
// 查询需要更新的数据， select by condition
while (tableFilter.next()) {
if (condition == null || Boolean.TRUE.equals(condition.getBooleanValue(session))) {
// 旧数据，直接查出来的。
Row oldRow = tableFilter.get();
// 新数据，根据更新语句，重新赋值后的。
Row newRow = table.getTemplateRow();
// 执行 set column 表达式...
boolean done = false;
if (table.fireRow()) {
// 数据变更前，分发执行触发器。触发器太多可不行❌
done = table.fireBeforeRow(session, oldRow, newRow);
}
if (!done) {
rows.add(oldRow);
rows.add(newRow);
}
}
}
// 存储引擎执行真正的数据更新操作。⛳
table.updateRows(this, session, rows);
if (table.fireRow()) {
for (rows.reset(); rows.hasNext();) {
// 数据变更后，分发执行触发器
table.fireAfterRow(session, o, n, false);
}
}
return count;
} finally {
rows.close();
}
}
事务控制
因为 RegularTable 存储引擎事务是 SERIALIZABLE 级别。就不存在读写并发的情况。事务的提交不做过多分析，主要关注事务回滚的实现。
①AutoCommit
和其他数据库一样， h2database 会话默认的 AutoCommit = true。更新命令执行完成会自动发起 commit 操作。
开启事务的情况下，由用户手动发起 commit 操作。
/**
* 更新命令执行完成后，收尾工作之一判断是否需要发起自动提交✔
* @see org.h2.command.Command#stop
*/
private void stop() {
// AutoCommit 状态，自动提交事务。
if (session.getAutoCommit()) {
session.commit(false);
}
}
②事务提交
org.h2.command.dml.TransactionCommand#update 命令处理
/**
* Commit the current transaction.
*
* @see org.h2.engine.Session#commit
*/
public void commit(boolean ddl) {
// 事务持久化机制，及时存盘数据库操作记录。
if (containsUncommitted()) {
database.commit(this);
}
if (undoLog.size() > 0) {
undoLog.clear();
}
// 释放当前会话关联 table 的读写锁。
// @see org.h2.engine.Session#unlockAll
endTransaction();
}
③事务回滚
org.h2.command.dml.TransactionCommand#update 命令处理
事务的回滚依赖 undoLog。实现类：org.h2.engine.UndoLogRecord，undoLog 只存在两种操作 INSERT DELETE。对应到 SQL 操作：
-
Insert SQL: INSERT new, 回滚操作为：DELETE new
-
Update SQL: DELETE old, INSERT new, 回滚操作为：DELETE new, INSERT old
-
Delete SQL: DELETE old, 回滚操作为：INSERT old
/**
* 事务回滚操作。
* 事务回滚的过程就是按照逆序回放事务中的操作（undoLog中的操作逆序执行）。
*
* @param savepoint 如果指定保存点，事务将回滚到这个保存点。
* @param trimToSize if the list should be trimmed
*/
public void rollbackTo(Savepoint savepoint, boolean trimToSize) {
// 保存点持有的是当前会话开始时 undoLog 的位置。默认都是 0。
int index = savepoint == null ? 0 : savepoint.logIndex;
// 当前会话 undoLog 队列逆向回放，重置现场。
while (undoLog.size() > index) {
UndoLogRecord entry = undoLog.getLast();
// 如上的对应操作规则，回放操作。
entry.undo(this);
undoLog.removeLast(trimToSize);
}
}