PostgreSQL のデッドロックとロック競合の特定と解決方法

PostgreSQLのデッドロックとロック競合の理解と解決

PostgreSQLは、強力で広く使用されているオープンソースのリレーショナルデータベースであり、複数のユーザーやアプリケーションがデータを同時にアクセスおよび変更できるようにするための堅牢な並行性制御メカニズムを提供します。しかし、これらの並行操作が複雑に相互作用すると、ロック競合、さらに深刻な場合にはデッドロックといった状況を引き起こす可能性があります。PostgreSQLにおけるロックの仕組みを理解し、競合の根本原因を特定し、効果的な解決戦略を実装することは、データベースのパフォーマンスと可用性を維持するために不可欠です。

この記事では、PostgreSQLのロックの複雑な仕組みを順を追って説明します。さまざまなロックの種類、ロックの問題を診断するためにpg_locksシステムビューを活用する方法、ブロッキングセッションの特定、一般的なデッドロックシナリオの分析、そして最も重要なこととして、これらのパフォーマンスのボトルネックを防止および解決するための実践的なテクニックについて議論します。これらの概念を習得することで、PostgreSQL環境内でのよりスムーズで効率的な操作を確保できます。

PostgreSQLロックの基本

PostgreSQLは、テーブル、行、さらには特定の列といったデータベースオブジェクトへの同時アクセスを管理するために、洗練されたロックメカニズムを採用しています。主な目的は、競合する操作を防ぐことによってデータ整合性を保証することです。しかし、このメカニズムは、慎重に管理しないとパフォーマンス問題の原因にもなり得ます。

ロックの種類

PostgreSQLはさまざまなロックレベルを利用しており、それぞれが異なるレベルの保護を提供します。これらを理解することが、問題診断の鍵となります。

Access Exclusive Lock (排他アクセスロック): リソースへの排他的アクセスを提供します。他のトランザクションはいかなるロックもリソース上に取得できません。これは最も制限の厳しいロックです。
Exclusive Lock (排他ロック): 1つのトランザクションのみがこのロックを保持できます。他のトランザクションはリソースを読み取ることはできますが、変更することはできません。
Share Update Exclusive Lock (共有更新排他ロック): 他のトランザクションによる読み取りは許可しますが、書き込みは許可せず、特定の他のロックが取得されるのを防ぎます。
Share Row Exclusive Lock (共有行排他ロック): 複数のトランザクションが共有行排他ロックまたは共有ロックを保持することを許可しますが、排他ロック、共有更新排他ロック、または行排他ロックを保持できるのは1つのトランザクションのみです。
Share Lock (共有ロック): 複数のトランザクションが同時に共有ロックを保持することを許可します。ただし、排他ロック、排他アクセスロック、または共有更新排他ロックを取得しようとするトランザクションをブロックします。
Row Exclusive Lock (行排他ロック): 複数のトランザクションが同時に行排他ロックを保持することを許可します。排他ロック、排他アクセスロック、または共有更新排他ロックを取得しようとするトランザクションを防ぎます。これはUPDATEおよびDELETE操作で一般的なロックの種類です。
Exclusive Lock (排他ロック - 行レベル): 特定の行に対するトランザクションの排他的アクセスを許可します。他のトランザクションはその行を読み取ることはできますが、その行に対してはいかなる行レベルのロックも取得できません。
Access Exclusive Lock (排他アクセスロック): 最も制限の厳しいロックであり、他のトランザクションがあらゆるレベルでリソースにアクセスするのを防ぎます。

ロックモード

ロックモードは、トランザクションが必要とするアクセスの種類を示します。これらはしばしばRowExclusiveLock、ShareLock、ExclusiveLockなどの名前で表されます。

ロック競合とブロッキングセッションの特定

ロック競合は、複数のトランザクションが他のトランザクションが保持しているロックを待機している場合に発生します。これはアプリケーションの速度を大幅に低下させる可能性があります。pg_locksシステムビューは、これらの問題を診断するための主要なツールです。

`pg_locks`の使用法

pg_locksビューは、データベースシステム内のすべてのアクティブなロックに関する情報を提供します。どのセッションがロックを保持し、どのセッションが待機しているかを理解するのに非常に役立ちます。

ブロッキングセッションを特定するための一般的なクエリを次に示します。

SELECT
    blocked_locks.pid AS blocked_pid,
    blocked_activity.usename AS blocked_user,
    blocked_locks.locktype AS blocked_locktype,
    blocked_locks.virtualtransaction AS blocked_vtx,
    blocked_locks.mode AS blocked_mode,
    blocked_activity.query AS blocked_statement,
    blocking_locks.pid AS blocking_pid,
    blocking_activity.usename AS blocking_user,
    blocking_locks.locktype AS blocking_locktype,
    blocking_locks.virtualtransaction AS blocking_vtx,
    blocking_locks.mode AS blocking_mode,
    blocking_activity.query AS blocking_statement
FROM
    pg_catalog.pg_locks blocked_locks
JOIN
    pg_catalog.pg_stat_activity blocked_activity ON blocked_activity.pid = blocked_locks.pid
JOIN
    pg_catalog.pg_locks blocking_locks
ON
    blocking_locks.locktype = blocked_locks.locktype AND
    blocking_locks.DATABASE IS NOT DISTINCT FROM blocked_locks.DATABASE AND
    blocking_locks.relation IS NOT DISTINCT FROM blocked_locks.relation AND
    blocking_locks.offset IS NOT DISTINCT FROM blocked_locks.offset AND
    blocking_locks.page IS NOT DISTINCT FROM blocked_locks.page AND
    blocking_locks.tuple IS NOT DISTINCT FROM blocked_locks.tuple
JOIN
    pg_catalog.pg_stat_activity blocking_activity ON blocking_activity.pid = blocking_locks.pid
WHERE
    NOT blocked_locks.granted
    AND blocking_locks.pid != blocked_locks.pid;

クエリの説明:

pg_locksをpg_stat_activityに2回結合します。1回はブロックされているプロセス用、もう1回はブロッキングプロセス用です。
WHERE NOT blocked_locks.granted句は、現在待機されているロックをフィルタリングします。
blocking_locks.pid != blocked_locks.pidは、セッションが自分自身をブロックしていると報告されないようにします。
pg_locks上の結合条件は、同じリソース上のロックを照合します。

出力の解釈

blocked_pid / blocking_pid: 関与するプロセスのID（PID）。
blocked_user / blocking_user: これらのPIDに関連付けられたユーザー。
blocked_statement / blocking_statement: 現在実行中または待機中のSQLクエリ。
blocked_mode / blocking_mode: 要求されたロックモードと保持されているロックモード。

このクエリが行を返した場合、ロック競合が発生しています。blocking_pidは、blocked_pidが待機しているロックを保持しています。

デッドロックの理解と解決

デッドロックは、2つ以上のトランザクションが互いに相手が保持するロックを待機し、循環的な依存関係を作り出し、どちらも単独では解決できなくなったときに発生します。PostgreSQLはデッドロックを検出し、通常はデッドロックを引き起こし、かつ最も作業量の少ないトランザクションを中止することによって自動的に解決します。

一般的なデッドロックシナリオ

異なるテーブルの異なる行を逆順に更新する2つのトランザクション:
- トランザクションA: テーブル1の行Xを更新し、次にテーブル2の行Yを更新しようとします。
- トランザクションB: テーブル2の行Yを更新し、次にテーブル1の行Xを更新しようとします。
  トランザクションAが行Xをロックし、トランザクションBが行Yをロックした場合、互いが保持するロックを取得しようとするときにデッドロックが発生します。
UPDATEの後にSELECT ... FOR UPDATE:
- トランザクションA: ある行を更新します。
- トランザクションB: 同じ行に対してSELECT ... FOR UPDATEを実行します。
  UPDATEがまだ行排他ロックを保持している状態でSELECT FOR UPDATEが共有ロックを取得しようとし、他の依存関係が存在する場合、デッドロックが発生する可能性があります。

デッドロックの検出

PostgreSQLはデッドロック情報をサーバーログに記録します。通常、次のようなメッセージが表示されます。

ERROR:  deadlock detected
DETAIL:  Process 1234 waits for ShareLock on transaction 5678; blocked by process 5679.
Process 5679 waits for ExclusiveLock on tuple (0,1) of relation 12345; blocked by process 1234.
HINT:  See server log for detail.

PostgreSQLは犠牲となるプロセスを自動的に選択して中止します。また、検出時点での関連クエリを確認するためにpg_stat_activityを使用することもできます。

デッドロックの解決

デッドロックが検出され、PostgreSQLがトランザクションを中止することで解決する場合:

犠牲者の特定: PostgreSQLのログでdeadlock detectedメッセージを確認します。どのプロセスが中止されたかが指定されます。
中止されたトランザクションの再試行: デッドロックエラーを受け取ったアプリケーションは、この特定のエラー（例: deadlock_detectedエラーコード）をキャッチし、トランザクションを再試行するように設計されている必要があります。これはアプリケーションの観点からデッドロックを処理するための最も一般的で効果的な方法です。
原因の分析: 解決の鍵は、将来のデッドロックを防ぐことです。これには、デッドロックがなぜ発生したか（一般的なシナリオで説明されているように）を理解し、アプリケーションロジックまたはデータベース設計を調整することが含まれます。

ロック競合とデッドロックを防止するためのテクニック

予防は常に治療に勝ります。ロック競合を最小限に抑え、デッドロック状況を回避するための戦略を実装することは、高性能なPostgreSQLデータベースにとって極めて重要です。

1. 一貫したトランザクション順序

ルール: すべてのトランザクションで、リソース（テーブル、行）へのアクセスと変更は常に同じ順序で行います。複数のトランザクションがTableAとTableBを更新する必要がある場合は、一貫した方法で、常にTableAの後にTableBを更新するようにするか、その逆を行います。
例: トランザクションがusersテーブルとordersテーブルのレコードを更新する必要がある場合、常にusersの操作を先に行い、次にordersの操作を行います。あるトランザクションがusersの後にordersを更新し、別のトランザクションがordersの後にusersを更新するようなシナリオは避けます。

2. トランザクション期間の最小化

ルール: トランザクションは可能な限り短く保ちます。トランザクションが開いている時間が長いほど、保持するロックが増え、競合の可能性が高まります。
アクション: トランザクション内で必要なデータベース操作のみを実行します。トランザクションの状態に依存しない非データベース関連の作業（例: 外部API呼び出し、複雑な計算）は、トランザクションの境界の外に移動します。

3. 適切な分離レベルの使用

ルール: トランザクション分離レベルを理解し、正しいものを選択します。PostgreSQLは以下を提供します:
- READ UNCOMMITTED (PostgreSQLではREAD COMMITTEDとしてシミュレートされます)
- READ COMMITTED (デフォルト)
- REPEATABLE READ
- SERIALIZABLE
アクション: デフォルトのREAD COMMITTEDは、ダーティリードを防ぎながら良好なパフォーマンスを提供します。REPEATABLE READおよびSERIALIZABLEはより強力な一貫性を提供しますが、より多くのserialization_failureエラー（スナップショット分離におけるデッドロックに実質的）や、より多くのロック競合を引き起こす可能性があります。これらは絶対に必要な場合にのみ使用してください。

4. クエリとインデックスの最適化

ルール: 遅いクエリはロックを長時間保持します。クエリが効率的であり、適切にインデックスが設定されていることを確認してください。
アクション: EXPLAIN ANALYZEを使用して遅いクエリを特定します。特にWHERE句やJOIN条件のために、データ取得を高速化するために適切なインデックスを追加します。

5. `SELECT ... FOR UPDATE`の慎重な使用

ルール: SELECT ... FOR UPDATEはトランザクションの期間、行をロックします。これは競合状態を防ぐのに強力ですが、競合の大きな原因にもなり得ます。
アクション: トランザクションが作業を完了する前に他のトランザクションによって変更されないように行をロックする必要がある場合にのみ使用します。アドバイザリロックが特定のシナリオにより適しているかどうかを検討してください。

6. アドバイザリロック

ルール: アプリケーションレベルのロックや、データベースオブジェクトロックに直接対応しない、より複雑な同期ニーズのために、PostgreSQLのアドバイザリロックは強力なツールになり得ます。
アクション: pg_advisory_lock()、pg_advisory_lock_shared()、pg_advisory_unlock()などの関数を使用して、カスタムロックメカニズムを実装します。これらのロックはデッドロック検出メカニズムによって自動的に検出されないため、アプリケーションロジックで慎重に管理する必要があります。

7. 操作のバッチ処理

ルール: 多数の個別のUPDATEまたはDELETEステートメントを発行するのではなく、それらを単一のステートメントにバッチ処理するか、可能な場合はバルクロード/更新にCOPYを使用することを検討してください。
アクション: 単一のUPDATEステートメントは、個別のUPDATEのループよりも効率的にロックを取得する可能性があります。バッチ操作のロック動作を分析してください。

結論

ロック競合とデッドロックは、高並行性データベース環境における一般的な課題です。PostgreSQLのロックの基本概念を理解し、pg_locksやpg_stat_activityのようなツールを利用して問題を診断し、一貫したトランザクション順序、トランザクション期間の最小化、クエリの最適化といった予防戦略を実装することで、PostgreSQLデータベースの安定性とパフォーマンスを大幅に向上させることができます。アプリケーション内で堅牢なエラー処理、特にデッドロックされたトランザクションの再試行を行うことも、これらの状況を効果的に管理するための重要な部分であることを忘れないでください。