SQL Server裡的自旋鎖介紹為什麼我們需要自旋鎖？自旋鎖與故障排除小結

在上一篇文章裡我讨論了SQL Server裡的闩鎖。在文章的最後我給你簡單介紹了下自旋鎖（Spinlock）。基于那個基礎，今天我會繼續讨論SQL Server中的自旋鎖，還有給你展示下如何對它們進行故障排除。

在上篇文章我已經指出，用闩鎖同步多個線程間資料結構通路，在每個共享資料結構前都放置一個闩鎖沒有意義的。闩鎖與此緊密關聯：當你不能獲得闩鎖（因為其他人已經有一個不相容的闩鎖拿到），查詢就會強制等待，并進入挂起（SUSPENDED）狀态。查詢在挂起狀态等待直到可以拿到闩鎖，然後就會進入可執行（RUNNABLE）狀态。對于查詢執行隻要沒有可用的CPU，查詢就一直在可執行（RUNNABLE）狀态。一旦CPU有空閑，查詢會進入運作（RUNNING）狀态，最後成功擷取到闩鎖，用它來保護通路的共享資料結構。下圖展示了SQLOS對協調線程排程實作的狀态機。 

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因為太多關聯的闩鎖，對“忙碌”資料結構使用闩鎖保護沒有意義。是以SQL Server實作所謂自旋鎖（Spinlocks）。自旋鎖就像一個闩鎖，存儲引擎使用的一個輕量級同步對象，用來同步對共享資料結構線程通路。和闩鎖的主要差別是你積極等待自旋鎖——不離開CPU。在自旋鎖上的“等待”總會發生在運作（RUNNING）狀态的CPU。在你閉合循環裡旋轉直到獲得自旋鎖。這就是所謂的忙碌等待（busy wait）。自旋鎖的最大優點是當查詢在自旋鎖上等待時，不會涉及到上下文切換。另一方面忙碌等待浪費CPU周期，其他查詢也許能對它們更有效的使用。

為了避免太多的CPU周期浪費，SQL Server 2008 R2及後續版本實作所謂的指數補償機制（exponential backoff mechanism），那裡在CPU上一些時間的休眠後，線程停止旋轉。線上程進入休眠期間，增加了嘗試獲得自旋鎖的逾時。這個行為可以降低對CPU性能的影響。

（補充說明：Spinlock中文可以稱為自旋鎖。它是一個輕量級的，使用者态的同步對象，和critical section類似，但是粒度比前者小多了。它主要用來保護某些特定的記憶體對象的多線程并發通路。Spinlock是排他性的。一次隻能一個線程擁有。

Spinlock的設計目标是非常快和高效率。Spinlock内部如何工作呢？它首先試圖獲得某個對象的鎖，如果目标被其它線程占有，就在那裡輪詢（spin）一定時間。如果還得不到鎖，就sleep一小會，然後繼續spin。反複這個過程直到得到對象的占有權。） 

對自旋鎖故障排除的主要DMV是 sys.dm_os_spinlock_stats。這個DMV裡傳回的每一行都代表SQL Server裡的一個自旋鎖。SQL Server 2014實作了262個不同自旋鎖。我們來詳細看下這個DMV裡的各個列：

name：自旋鎖名稱

collision：當嘗試通路保護的資料結構時，被自旋鎖阻塞的線程次數

spins：在循環裡嘗試獲得自旋鎖的自旋鎖線程次數

spins_per_collision：旋轉和碰撞之間的比率

sleep_time：因為退避線程休眠時間

backoffs:：為了其他線程在CPU上繼續，線程退避次數

在這個DMV裡最重要的列是backoffs，對于特定的自旋鎖類型，這列告訴你退避發生頻率。高頻率的退避會屈服于CPU消耗引起SQL Server裡的自旋鎖競争（Spinlock Contention）。我就見過一個32核的SQL Server伺服器，CPU運作在100%而不進行任何工作——典型的自旋鎖競争症狀。 

對自旋鎖問題進行故障排除你可以使用擴充事件提供的sqlos.spinlock_backoff。當退避（backoff）發生時，就會觸發這個擴充事件。如果你捕獲了這個事件，你還要保證你使用非常好的選擇性謂語，因為在SQL Server裡退避會經常發生。一個好的謂語可以是特定的自旋鎖類型，通過剛才提到的DMV你已經看到。下列代碼給你展示了如何建立這樣的擴充事件會話。

sqldk.dll!XeSosPkg::spinlock_backoff::Publish+0x138 sqldk.dll!SpinlockBase::Sleep+0xc5 sqlmin.dll!Spinlock<129,7,1>::SpinToAcquireWithExponentialBackoff+0x169 sqlmin.dll!lck_lockInternal+0x841 sqlmin.dll!XactWorkspaceImp::GetSharedDBLockFromLockManager+0x18d sqlmin.dll!XactWorkspaceImp::GetDBLockLocal+0x15b sqlmin.dll!XactWorkspaceImp::GetDBLock+0x5a sqlmin.dll!lockdb+0x4a sqlmin.dll!DBMgr::OpenDB+0x1ec sqlmin.dll!sqlusedb+0xeb sqllang.dll!usedb+0xb3 sqllang.dll!LoginUseDbHelper::UseByMDDatabaseId+0x93 sqllang.dll!LoginUseDbHelper::FDetermineSessionDb+0x3e1 sqllang.dll!FRedoLoginImpl+0xa1b sqllang.dll!FRedoLogin+0x1c1 sqllang.dll!process_request+0x3ec sqllang.dll!process_commands+0x4a3 sqldk.dll!SOS_Task::Param::Execute+0x21e sqldk.dll!SOS_Scheduler::RunTask+0xa8 sqldk.dll!SOS_Scheduler::ProcessTasks+0x279 sqldk.dll!SchedulerManager::WorkerEntryPoint+0x24c sqldk.dll!SystemThread::RunWorker+0x8f sqldk.dll!SystemThreadDispatcher::ProcessWorker+0x3ab sqldk.dll!SchedulerManager::ThreadEntryPoint+0x226

使用提供調用堆棧，不難找出自旋鎖競争發生的地方。在那個指定的笤俑堆棧裡競争發生在LOCK_HASH自旋鎖類型裡，它是保護鎖管理器的哈希表。每次在鎖管理器裡加鎖或解鎖被執行時，自旋鎖必須在對應的哈希桶裡獲得。如你所見，在調用堆棧裡，當從XactWorkspacelmp類調用GetSharedDBLockFromLockManager函數時，自旋鎖被獲得。這表示當競争到資料庫時，共享資料庫鎖被嘗試擷取。最後在用很高的退避（backoffs）的LOCK_HASH自旋鎖裡，這屈服于自旋鎖競争。

這篇文章裡你學習了SQL Server裡的自旋鎖。在第1部分我們讨論了為什麼SQL Server需要實作自旋鎖。如你所見，使用自旋鎖保護自并發線程對“忙碌”共享資料結構的通路更“便宜”——例如鎖管理器。在第2部分我們詳細讨論了對SQL Server的自旋鎖競争你如何進行故障排除，還有使用辨別的調用堆棧如何找出問題的根源。

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