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实现并发新高度：23ai的无锁列值保留

Alfred Zhao

发布于 2024-06-14 00:08:49

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文章被收录于专栏：从ORACLE起航，领略精彩的IT技术。从ORACLE起航，领略精彩的IT技术。

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Oracle Database 23ai支持Lock-Free Reservation，中文通常译为“无锁列值保留”。

本文将通过3个部分来阐述Lock-Free Reservation的这个特性：

1.应用场景
2.实现原理
3.使用限制

1.应用场景

Lock-Free Reservation这项特性可用于实现更细粒度的并发控制。它的本质是相对于传统的行锁，能以更细的粒度（即列值级别）进行锁定，从而减少锁争用，提高并发性能。

例如，当库存充足时，数据仅在提交时锁定，并有可能改善最终用户体验以及事务的吞吐量。

为了避免重复造轮子，本文演示的测试用例部分，直接参考了官方博客中给出的测试用例，原文链接为：

https://blogs.oracle.com/coretec/post/lock-free-reservation-in-23c

下面我们就依据此测试用例来测试并理解下Lock-Free Reservation的具体功效吧。

1.1 创建测试表

首先，创建测试表inventory：

create table inventory
( item_id            NUMBER          CONSTRAINT inv_pk PRIMARY KEY,
  item_display_name  VARCHAR2(100)   NOT NULL,
  item_desc          VARCHAR2(2000),
  qty_on_hand        NUMBER          RESERVABLE CONSTRAINT qty_ck CHECK (qty_on_hand >= 0) NOT NULL,
  shelf_capacity     NUMBER          NOT NULL,
    CONSTRAINT shelf_ck CHECK (qty_on_hand <= shelf_capacity)
);

在开始下一步前，我们先解读下这张测试表的创建语句，以便后面测试能更好的理解：

CHECK (qty_on_hand >= 0) 这个约束确保了库存数量不能为负数。
shelf_capacity，这是货架容量，表示每种物品在货架上的最大存放量。
CONSTRAINT shelf_ck CHECK (qty_on_hand <= shelf_capacity)，这个约束确保 qty_on_hand（当前库存数量）不能超过 shelf_capacity（货架容量）。

1.2 查看测试表信息

这里测试表的RESERVABLE属性列，还可以通过如下SQL来查看，确认表中是否存在RESERVABLE属性的列，以及确定具体是哪一列：

col table_name format a30
col has_reservable_column format a30
col reservable_column format a30

select table_name, has_reservable_column
from user_tables
where table_name = 'INVENTORY';

select column_name, reservable_column
from user_tab_cols
where table_name = 'INVENTORY' and reservable_column = 'YES';

查看表中约束信息：

col search_condition format a40
col constraint_name format a20
select constraint_name, search_condition
from user_constraints 
where table_name='INVENTORY';

上面查询结果就是我们创建的表的基础信息:

07:35:47 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1>
TABLE_NAME		       HAS_RESERVABLE_COLUMN
------------------------------ ------------------------------
INVENTORY		       YES

COLUMN_NAME		       RESERVABLE_COLUMN
------------------------------ ------------------------------
QTY_ON_HAND		       YES

CONSTRAINT_NAME      SEARCH_CONDITION
-------------------- ----------------------------------------
SYS_C008423	     "ITEM_DISPLAY_NAME" IS NOT NULL
SYS_C008424	     "QTY_ON_HAND" IS NOT NULL
SYS_C008425	     "SHELF_CAPACITY" IS NOT NULL
QTY_CK		     qty_on_hand >= 0
SHELF_CK	     qty_on_hand <= shelf_capacity
INV_PK

1.3 插入测试数据

在测试表中插入3条测试数据，并提交更改：

insert into inventory values (123, 'Milk', 'Lowfat 2%', 100, 120);
insert into inventory values (456, 'Bread', 'Multigrain', 50, 100);
insert into inventory values (789, 'Eggs', 'Organic', 50, 75);
commit;

2.实现原理

首先设计测试场景，然后从测试表现理解实现原理。

2.1 测试无锁列值保留

目前测试表中数据：

07:37:39 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select ITEM_ID, QTY_ON_HAND, SHELF_CAPACITY from inventory;

   ITEM_ID QTY_ON_HAND SHELF_CAPACITY
---------- ----------- --------------
       123	   100		  120
       456	    50		  100
       789	    50		   75

Elapsed: 00:00:00.00

--更新item_id=123的qty_on_hand列，原值减10 @session1：
update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 10
     where item_id = 123;
     
--更新item_id=123的qty_on_hand列，原值减2 @session2：
update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 2
     where item_id = 123;

--更新item_id=123的qty_on_hand列，原值减9 @session3：     
update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 9
     where item_id = 123;
   
--更新item_id=123的qty_on_hand列，原值加20 @session4：  
update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand + 20
     where item_id = 123;

传统情况下，不同会话同时更新表的同一行数据，会阻塞，但这里上面4个会话都可以正常执行成功。结果如下：

--@session1:
07:38:03 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 10
     where item_id = 123;
07:39:13   2  07:39:13   3
1 row updated.

Elapsed: 00:00:00.01
07:39:13 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1>

--@session2:
07:39:01 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 2
     where item_id = 123;
07:39:29   2  07:39:29   3
1 row updated.

Elapsed: 00:00:00.01
07:39:29 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1>

--@session3:
07:39:03 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand - 9
     where item_id = 123;07:39:38   2  07:39:38   3

1 row updated.

Elapsed: 00:00:00.01

--@session4:
07:39:07 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> update inventory
     set qty_on_hand = qty_on_hand + 20
     where item_id = 123;07:39:45   2  07:39:45   3

1 row updated.

Elapsed: 00:00:00.01

4个会话更新同一行数据，完全不受影响，实现了并发的新高度，即比行锁更细的颗粒度。

2.2 查看journal table

查看journal table，这个是核心，也是Lock-Free Reservation的底层实现机制：

select object_name, object_type, created
     from user_objects order by 3 desc;

结果如下：

OBJECT_NAME		       OBJECT_TYPE	       CREATED
------------------------------ ----------------------- ---------
INV_PK			       INDEX		       12-JUN-24
SYS_RESERVJRNL_76171	       TABLE		       12-JUN-24
INVENTORY		       TABLE		       12-JUN-24

查看这个journal table的表结构：

07:42:53 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> desc SYS_RESERVJRNL_76171
 Name												       Null?	Type
 ----------------------------------------------------------------------------------------------------- -------- --------------------------------------------------------------------
 ORA_SAGA_ID$													RAW(16)
 ORA_TXN_ID$													RAW(8)
 ORA_STATUS$													VARCHAR2(11)
 ORA_STMT_TYPE$ 												VARCHAR2(6)
 ITEM_ID											       NOT NULL NUMBER
 QTY_ON_HAND_OP 												VARCHAR2(1)
 QTY_ON_HAND_RESERVED												NUMBER

07:42:58 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1>

select * from SYS_RESERVJRNL_76171;

分别在上面4个会话查询，结果如下：

--@session1:
07:42:58 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select * from SYS_RESERVJRNL_76171;

ORA_SAGA_ID$			 ORA_TXN_ID$	  ORA_STATUS$ ORA_ST	ITEM_ID Q QTY_ON_HAND_RESERVED
-------------------------------- ---------------- ----------- ------ ---------- - --------------------
				 05001B0068040000 ACTIVE      UPDATE	    123 -		    10

Elapsed: 00:00:00.00

--@session2:
07:39:30 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select * from SYS_RESERVJRNL_76171;

ORA_SAGA_ID$			 ORA_TXN_ID$	  ORA_STATUS$ ORA_ST	ITEM_ID Q QTY_ON_HAND_RESERVED
-------------------------------- ---------------- ----------- ------ ---------- - --------------------
				 02000B0050040000 ACTIVE      UPDATE	    123 -		     2

Elapsed: 00:00:00.00

--@session3:
07:39:39 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select * from SYS_RESERVJRNL_76171;

ORA_SAGA_ID$			 ORA_TXN_ID$	  ORA_STATUS$ ORA_ST	ITEM_ID Q QTY_ON_HAND_RESERVED
-------------------------------- ---------------- ----------- ------ ---------- - --------------------
				 0A000A00B3030000 ACTIVE      UPDATE	    123 -		     9

Elapsed: 00:00:00.00

--@session4:
07:39:46 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select * from SYS_RESERVJRNL_76171;

ORA_SAGA_ID$			 ORA_TXN_ID$	  ORA_STATUS$ ORA_ST	ITEM_ID Q QTY_ON_HAND_RESERVED
-------------------------------- ---------------- ----------- ------ ---------- - --------------------
				 04000E00B2030000 ACTIVE      UPDATE	    123 +		    20

Elapsed: 00:00:00.00

可以看到这个journal table的表SYS_RESERVJRNL_76171详细记录了每个会话对这列的操作。一旦提交，这个记录就会被清空。有点儿像Oracle的临时表？顺手获取下这个表的创建语句：

select dbms_metadata.get_ddl('TABLE','SYS_RESERVJRNL_76171','JINGYU') from dual;

07:48:49 PRIMARY @ORCL -> JINGYU @PDB1> select dbms_metadata.get_ddl('TABLE','SYS_RESERVJRNL_76171','JINGYU') from dual;

DBMS_METADATA.GET_DDL('TABLE','SYS_RESERVJRNL_76171','JINGYU')
--------------------------------------------------------------------------------

  CREATE TABLE "JINGYU"."SYS_RESERVJRNL_76171"
   (	"ORA_SAGA_ID$" RAW(16),
	"ORA_TXN_ID$" RAW(8),
	"ORA_STATUS$" VARCHAR2(11),
	"ORA_STMT_TYPE$" VARCHAR2(6),
	"ITEM_ID" NUMBER NOT NULL ENABLE,
	"QTY_ON_HAND_OP" VARCHAR2(1),
	"QTY_ON_HAND_RESERVED" NUMBER
   ) SEGMENT CREATION IMMEDIATE
  PCTFREE 10 PCTUSED 40 INITRANS 1 MAXTRANS 255
 NOCOMPRESS LOGGING
  STORAGE(INITIAL 16384 NEXT 16384 MINEXTENTS 1 MAXEXTENTS 2147483645
  PCTINCREASE 0 FREELISTS 1 FREELIST GROUPS 1
  BUFFER_POOL DEFAULT FLASH_CACHE DEFAULT CELL_FLASH_CACHE DEFAULT)
  TABLESPACE "USERS"

从创建语句来看倒没有指定临时表创建语句，但感觉上实现机制上有些类似，以后空了再研究，不是很重要。总之这个日志表是建立无锁列值保留时，Oracle自动创建的，当然也由Oracle自己维护，用户肯定不能对其直接进行操作，否则会报错：

ORA-55727: DML, ALTER, RENAME, and CREATE INDEX operations are not allowed on the reservation journal table "JINGYU"."SYS_RESERVJRNL_76171".
Help: https://docs.oracle.com/error-help/db/ora-55727/

3.使用限制

最后聊下关于Lock-Free Reservation的目前使用限制：

该特性仅限于特定场景，主要是经常需要更新特定列而非整行的场景。
更新特定列也不能随便，只能使用原值增加或减少的方式。
支持的数据类型有限：仅支持数值型数据列，不适用于所有数据类型。
只在23ai数据库版本中提供支持。

3.1 修改非特定列肯定不行

这好像是废话。。。但还是提一句，可不要傻傻的认为表中的所有列都可以。

--@session1:
update inventory
     set item_display_name = 'XXBK'
     where item_id = 123;
     
--@session2:
update inventory
     set item_display_name = 'ABCD'
     where item_id = 123;

比如上面更新这个表的其他列时，session2肯定会等待session1提交或回滚之后才能操作成功。

3.2 修改特定列也有特定限制

特定列就可以随便更新了吗？目前也不是的，只能支持特定的场景，比如使用原值增加或减少的方式。

--@session1:
update inventory
     set qty_on_hand = 30
     where item_id = 123;
          
--@session2:
update inventory
     set qty_on_hand = 40
     where item_id = 123;

上面这种直接更新这个特定列的值，也是会报错：

ORA-55746: Reservable column update statement only supports + or - operations on a reservable column.
Help: https://docs.oracle.com/error-help/db/ora-55746/

3.3 不支持非数值型

如果你定义了非数值型的保留列，建表就会直接报错，明确提醒你只支持NUMBER, INTEGER, FLOAT这些数据类型：

ORA-55748: Reservable column property specified on column "QTY_ON_HAND" is supported only on columns of data types Oracle NUMBER, INTEGER, and FLOAT.
Help: https://docs.oracle.com/error-help/db/ora-55748/

3.4 修改表中列的RESERVABLE属性

如果你最终发现，你的业务根本不需要列的RESERVABLE属性，那么就可以修改列属性，去掉RESERVABLE属性：

alter table inventory modify (qty_on_hand NOT RESERVABLE);

这样，这个列就会支持常规更新操作，但同时，就会和普通列一样持有锁：

--@session1:
update inventory
     set qty_on_hand = 30
     where item_id = 123;
          
--@session2:
update inventory
     set qty_on_hand = 40
     where item_id = 123;