動手分析SQL Server中的事務中使用的鎖

序

本文屬於基礎知識的回顧，在日常技術交流和日常工作中經常發現有些同事瞭解關於資料庫事務的基本知識，會看SQL語句的執行計劃，也知道資料庫有X鎖、U鎖和S鎖等各種鎖，但是對於這些鎖在資料庫事務執行期間是如何工作？為何這樣配合才能完成資料庫事務？資料庫是如何對於各種資源加鎖的？等等這類的問題不太瞭解，那麼對於事務的執行肯定不會有深刻的認識。

這類知識雖然從網上搜索可以找到很多，但是大多內容重覆，並且只註重理論知識而沒有實踐路徑。就好比池塘中的青蓮只可遠觀而無法靠近仔細觀察，猶如霧裡看花水中望月，對於其真實原理總是似懂非懂。

紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行，只有親自動手進行分析才能對這些問題有深入的認識，因此本文計劃從資料庫的基礎知識入手，以詳細的實踐分析步驟引導認識資料庫事務的執行過程，以期讀者可以對於事務有更加深刻的理解。

SQL Server使用的鎖及鎖對象

資料庫引擎使用不同的鎖模式鎖定資源，通過不同鎖的組合使用達到不同的資料庫事務隔離級別。

意向鎖又細分為多種類型：

架構鎖細分為兩種類型：

通常開發人員談到資料庫的鎖的時候習慣說資料庫鎖、表鎖或者行鎖。這種描述通常是從被鎖定資源的角度來談論，通過檢索SQL Server2016的文檔發現資料庫上鎖定更多的資源不只是這三種維度，還有11種類型。

瞭解了資料庫的鎖及其鎖定對象，那麼日常使用的select、insert和update語句到底是如何應用這些概念呢？

SQL Server執行Select時使用的鎖

首先通過建表腳本創建一個資料庫表：

USE [Test]
GO
/****** Object:  Table [dbo].[UserTable]    Script Date: 2022/6/29 20:08:23 ******/
SET ANSI_NULLS ON
GO
SET QUOTED_IDENTIFIER ON
GO
CREATE TABLE [dbo].[UserTable](
	[id] [varchar](36) NOT NULL,
	[name] [varchar](256) NULL,
	[code] [varchar](256) NULL,
	[createtime] [datetime] NULL,
	[lastmodifytime] [datetime] NULL,
PRIMARY KEY CLUSTERED 
(
	[id] ASC
)WITH (PAD_INDEX = OFF, STATISTICS_NORECOMPUTE = OFF, IGNORE_DUP_KEY = OFF, ALLOW_ROW_LOCKS = ON, ALLOW_PAGE_LOCKS = ON, OPTIMIZE_FOR_SEQUENTIAL_KEY = OFF) ON [PRIMARY]
) ON [PRIMARY]
GO

USE [Test]
GO
INSERT [dbo].[UserTable] ([id], [name], [code], [createtime], [lastmodifytime]) VALUES (N'5E4B68B0-71B8-43FB-B6B4-8E9D43A30589', N'test1', N'123456', CAST(N'2022-06-29T18:02:21.517' AS DateTime), CAST(N'2022-06-29T18:02:21.517' AS DateTime))
GO

由於Select語句在SQL Server的預設事務隔離級別（read commited）中執行完成後就會釋放相關的鎖，而非等到事務結束，在這種情況下無法通過sp_lock或者sys.dm_tran_locks視圖觀察select語句執行過程中鎖的執行情況，因此比較方便的辦法是在查詢語句執行之前調整當前會話的事務隔離級別為repeatable read，在這個隔離級別中select語句預設會在事故執行完成後提交，比較方便分析。

在SQL Server Manager Studio的查詢視窗中執行語句：

set transaction isolation level repeatable read

set statistics profile on 

begin tran
select * from usertable where  id='5E4B68B0-71B8-43FB-B6B4-8E9D43A30589'

在前面的事務目前是已經執行未提交的狀態，此時可以通過dm_tran_locks查詢到該語句目前持有的鎖：

select request_session_id,resource_type,request_status,request_mode,resource_description,
case resource_type
when 'Page' then OBJECT_NAME(p.object_id)
when 'object' then OBJECT_NAME(lock.resource_associated_entity_id)
when 'database' then (select name from master..SysDatabases where dbid=resource_database_id)
when 'key' then object_name(p.object_id)
end 
as objectName from sys.dm_tran_locks lock
left join sys.partitions p 
on p.hobt_id=lock.resource_associated_entity_id
order by lock.request_session_id

查詢結果欄位說明：

• request_session_id：會話編號
• resource_type：被鎖定的資源類型
• request_status：請求的狀態
• request_mode：鎖類型
• resource_description 資源描述情況
• objectName：對象名稱

目前select查詢持有的鎖：

1. 通過目前的查詢結果可以看到在DATABASE上加了S鎖（資料庫名為Test）；
2. 在數據所屬的頁上增加了意向共用鎖；
3. 表上增加了意向共用鎖；
4. 數據行上增加了共用鎖；

目前的事務執行過程中只對於匹配到的數據行進行了鎖定，如果插入刪除語句並未涉及到該數據行就不會受到影響，但是如果涉及到這行數據那肯定需要等S鎖釋放後才能進行。

SQL Server執行insert時使用的鎖

首先在事務中執行insert語句並且不提交(註意將上個章節中的事務提交)：

begin tran

insert into UserTable (id,code,name,createtime,lastmodifytime)
values(newid(),'test2','測試用戶2',getdate(),getdate())

insert的時候預設會有事務，因此主動聲明一個事務並只執行不提交就可以很容易的查到當前會話持有的鎖。

通過dm_tran_locks查詢到該語句目前持有的鎖：

該事務持有的鎖：

1. 資料庫層面的共用鎖；
2. 數據頁上的意向排他鎖；
3. 數據表的意向排他鎖；
4. 數據行的排他鎖；

結合上文中對於鎖類型的講解可以很容易理解資料庫增加這些鎖的用意。資料庫層面增加S鎖可以保護當前正在進行的事務的安全，同時針對發生數據變化的數據頁和數據表增加意向排他鎖可以防止其他事務對於資料庫和數據頁進行更高層的修改（比如架構級別或者DDL之類的事務），IX鎖對於IX和IS是可以並存的，因此可以最大限度上支持同一個區域內的其他修改和查詢事務。

SQL Server執行update時使用的鎖

首先在資料庫中執行update語句而不提交（註意將上個章節中的事務提交或者回滾）：

begin tran 

update UserTable set lastmodifytime=GETDATE()  where id ='06757850-68D6-416C-B3D1-FD3B29BAD4BB'

通過dm_tran_locks查詢到該語句目前持有的鎖：

該事務持有的鎖：

1. 資料庫層面的共用鎖；
2. 數據頁上的意向排他鎖；
3. 數據表上面的意向排他鎖；
4. 數據行的排他鎖；

有了insert的經驗後，理解update語句使用的鎖難度就不大了。其與insert使用的鎖的類型基本一樣，由於本次是使用主鍵進行修改，資料庫可以直接定位到需要進行變更的數據行，因此只需要在對應的行上增加X鎖就可以滿足事務的需要。

日常使用的時候很少直接通過id更新數據，往往基於一些非聚集索引更新數據，在這種情況下資料庫對於鎖的使用會有什麼不一樣呢？首先針對測試的數據表增加兩個索引:

create nonclustered index idx_UserTable_Name on UserTable(name)
create nonclustered index idx_UserTable_LastModifyTime on UserTable(lastmodifytime)

然後將update語句修改為根據name更新數據：

begin tran 

set statistics profile on 

update UserTable set lastmodifytime=GETDATE()  where name like '%test%'

該語句對應的鎖的情況統計：

可以發現通過非聚集索引更新數據的時候，資料庫需要檢查的內容明顯增加，並且增加IX鎖的數據也多了不少。只看這個表格可能不太好理解，這些key對應的X鎖為什麼要增加，以及是使用的哪個索引呢？為了瞭解更多的信息，上文中查詢事務鎖的語句需要進行一些改動，增加對於索引的關聯查詢：

with indexs 
as (
SELECT  索引名稱 = a.name ,
        表名 = c.name ,
        索引欄位名 = d.name ,
        a.indid
FROM    sysindexes a
        JOIN sysindexkeys b ON a.id = b.id
                               AND a.indid = b.indid
        JOIN sysobjects c ON b.id = c.id
        JOIN syscolumns d ON b.id = d.id
                             AND b.colid = d.colid
WHERE   a.indid NOT IN ( 0, 255 )  
AND   c.name='UserTable' --查指定表 
)
select request_session_id,resource_type,request_status,request_mode,resource_description,
case resource_type
when 'Page' then OBJECT_NAME(p.object_id)
when 'object' then OBJECT_NAME(lock.resource_associated_entity_id)
when 'database' then (select name from master..SysDatabases where dbid=resource_database_id)
when 'key' then object_name(p.object_id)
end 
as objectName,index_id,i.索引名稱 from sys.dm_tran_locks lock
left join sys.partitions p on p.hobt_id=lock.resource_associated_entity_id
left join indexs  i on i.indid=index_id
order by lock.request_session_id

通過關聯查詢索引信息，得到了更豐富的內容：

從上表中可以看出在更新數據的時候，由於涉及到多行的非聚集索引上面的數據，因此對於該索引涉及到的數據行都增加了X鎖，涉及到的數據頁也比之前更多了。類型為X鎖，同時索引名稱為PK__Test1__3213E83F133024F3的有兩行，因為本次事務匹配到了兩行數據；類型為X鎖，同時索引名稱為idx_UserTable_LastModifyTime的一共有四行。為什麼是四行呢？因為有兩個舊的數據需要刪除，同時新增了兩個新的數據，所以是四行。其他的非聚集索引的數據並沒有修改，所以本次不需要申請X鎖。

總結

資料庫中的各種事務隔離級別都是通過對於不同鎖的綜合運用實現的。對於鎖的認識可以從兩個角度進行：鎖模式和鎖對象。哪怕是一個簡單的select語句都會有預設的某種鎖以保護數據的正確性。需要註意不同的數據組合情況、不同的事務隔離級別下SQL語句的執行過程可能是不一樣的，因此其使用的鎖也會千變萬化，本文所列舉的只是一些很簡單的情況，但是規則類似，分析路徑也是基本一致的，有興趣的可以自己嘗試下日常工作中語句的執行過程中使用的鎖，這對於理解資料庫工作原理，有針對性的對於SQL語句調優都有一定幫助（註意不要在生產環境執行這類分析）。

參考文檔

1. SQL Server, Locks object
2. 事務鎖定和行版本控制指南
3. Microsoft SQL Server企業級平臺管理實踐