DevOps知识中心
DevOps知识中心

如何识别和解决 PostgreSQL 死锁和锁竞争

掌握 PostgreSQL 锁竞争和死锁。学习使用 `pg_locks` 识别阻塞会话、分析常见的死锁场景，并发现一致的事务排序和优化查询等实用技术，以预防和解决这些关键的数据库问题。确保更顺畅、更高效的 PostgreSQL 操作。

52 浏览量

理解并解决 PostgreSQL 死锁和锁争用

PostgreSQL 作为一个功能强大且广泛使用的开源关系型数据库，提供了强大的并发控制机制，允许多个用户和应用程序同时访问和修改数据。然而，当这些并发操作以复杂方式交互时，可能会导致锁争用，在更严重的情况下还会导致死锁。理解 PostgreSQL 中锁的工作原理，识别争用的根本原因，并实施有效的解决方案策略对于维护数据库性能和可用性至关重要。

本文将引导您深入了解 PostgreSQL 锁定的复杂性。我们将探讨不同类型的锁，如何利用 pg_locks 系统视图诊断锁定问题，识别阻塞会话，分析常见的死锁场景，最重要的是，讨论预防和解决这些性能瓶颈的实用技术。通过掌握这些概念，您可以确保 PostgreSQL 环境中的操作更加顺畅高效。

PostgreSQL 锁定基础

PostgreSQL 采用复杂的锁定机制来管理对数据库对象的并发访问，例如表、行甚至特定列。主要目标是通过防止冲突操作来确保数据完整性。然而，如果管理不当，这种机制也可能成为性能问题的根源。

锁的类型

PostgreSQL 使用各种锁级别，每个级别提供不同程度的保护。理解这些锁对于诊断问题至关重要：

  • 访问排他锁 (Access Exclusive Lock)： 对资源进行排他访问。任何其他事务都无法获取该资源的任何锁。这是限制性最强的锁。
  • 排他锁 (Exclusive Lock)： 只有一个事务可以持有此锁。其他事务可以读取资源但不能修改它。
  • 共享更新排他锁 (Share Update Exclusive Lock)： 允许其他事务读取但不能写入，并阻止其他事务获取某些其他锁。
  • 共享行排他锁 (Share Row Exclusive Lock)： 允许多个事务同时持有共享行排他锁或共享锁，但只有一个事务可以持有排他锁、共享更新排他锁或行排他锁。
  • 共享锁 (Share Lock)： 允许多个事务同时持有共享锁。但是，它会阻塞任何尝试获取排他锁、访问排他锁或共享更新排他锁的事务。
  • 行排他锁 (Row Exclusive Lock)： 允许多个事务同时持有行排他锁。它阻止事务获取排他锁、访问排他锁或共享更新排他锁。这是 UPDATE 和 DELETE 操作的常见锁类型。
  • 排他锁 (Exclusive Lock)： 授予事务对特定行的排他访问权限。其他事务可以读取该行，但不能获取该行的任何行级锁。
  • 访问排他锁 (Access Exclusive Lock)： 限制性最强的锁，阻止任何其他事务在任何级别访问资源。

锁模式

锁模式表示事务所需的访问类型。它们通常以 RowExclusiveLock、ShareLock、ExclusiveLock 等名称表示。

识别锁争用和阻塞会话

当多个事务等待由其他事务持有的锁时，就会发生锁争用。这会显著降低应用程序的速度。pg_locks 系统视图是您诊断这些问题的主要工具。

使用 pg_locks

pg_locks 视图提供有关数据库系统中所有活动锁的信息。它对于了解哪些会话持有锁以及哪些会话正在等待具有不可估量的价值。

以下是识别阻塞会话的常用查询：

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;

查询解释：

  • 我们将 pg_locks 与 pg_stat_activity 联接两次：一次用于被阻塞的进程，一次用于阻塞进程。
  • WHERE NOT blocked_locks.granted 子句过滤出当前正在等待的锁。
  • blocking_locks.pid != blocked_locks.pid 确保我们不会报告会话阻塞自身的情况。
  • pg_locks 上的联接条件匹配同一资源上的锁。

解释输出

  • blocked_pid / blocking_pid：涉及的会话的进程ID (PID)。
  • blocked_user / blocking_user：与这些PID关联的用户。
  • blocked_statement / blocking_statement：当前正在运行或等待的SQL查询。
  • blocked_mode / blocking_mode：请求和持有的锁模式。

如果此查询返回行，则表示存在锁争用。blocking_pid 正在持有一个 blocked_pid 正在等待的锁。

理解并解决死锁

死锁发生在两个或多个事务各自等待循环中由另一个事务持有的锁时，从而创建了一个循环依赖，两者都无法自行解决。PostgreSQL 会检测死锁并通过中止其中一个事务来自动解决它们，通常是中止导致死锁且工作量最少的事务。

常见的死锁场景

  1. 两个事务以相反的顺序更新不同表中的不同行：

    • 事务A：更新表1中的行X，然后尝试更新表2中的行Y。
    • 事务B：更新表2中的行Y，然后尝试更新表1中的行X。
      如果事务A锁定行X，事务B锁定行Y，当它们尝试获取对方持有的锁时，就会发生死锁。

  2. UPDATE 后跟 SELECT ... FOR UPDATE：

    • 事务A：更新一行。
    • 事务B：对同一行执行 SELECT ... FOR UPDATE。
      如果 UPDATE 在 SELECT FOR UPDATE 尝试获取共享锁时仍然持有行排他锁，并且存在其他依赖，则可能会发生死锁。

检测死锁

PostgreSQL 会将死锁信息记录到其服务器日志中。您通常会看到类似以下消息：

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 会自动选择一个受害者进程中止。您还可以使用 pg_stat_activity 来查看检测时涉及的查询。

解决死锁

当检测到死锁并由 PostgreSQL 通过中止事务来解决时：

  1. 识别受害者： 检查 PostgreSQL 日志中是否有 deadlock detected 消息。它将指定哪个进程被中止。
  2. 重试中止的事务： 接收死锁错误的应用程序必须设计为捕获此特定错误（例如，deadlock_detected 错误代码）并重试该事务。这是从应用程序角度处理死锁最常见和最有效的方法。
  3. 分析原因： 解决问题的关键是防止未来发生死锁。这涉及理解死锁发生的原因（如常见场景中所述）并调整应用程序逻辑或数据库设计。

预防锁争用和死锁的技术

预防总是胜于治疗。实施最小化锁争用和避免死锁情况的策略对于高性能 PostgreSQL 数据库至关重要。

1. 事务顺序一致性

  • 规则： 在所有事务中始终以相同的顺序访问和修改资源（表、行）。如果多个事务需要更新 TableA 和 TableB，请确保它们始终以一致的方式先更新 TableA，然后更新 TableB，反之亦然。
  • 示例： 如果事务需要更新 users 和 orders 中的记录，请始终先对 users 执行操作，然后对 orders 执行操作。避免一个事务先更新 users 再更新 orders，而另一个事务先更新 orders 再更新 users 的情况。

2. 最小化事务持续时间

  • 规则： 事务应尽可能短。事务打开的时间越长，它持有的锁就越多，从而增加争用的机会。
  • 操作： 仅在事务内执行必要的数据库操作。将与数据库无关的工作（例如，外部API调用、不依赖于事务状态的复杂计算）移到事务边界之外。

3. 使用适当的隔离级别

  • 规则： 理解并选择正确的事务隔离级别。PostgreSQL 提供：
    • READ UNCOMMITTED（在 PostgreSQL 中由 READ COMMITTED 模拟）
    • READ COMMITTED（默认）
    • REPEATABLE READ
    • SERIALIZABLE
  • 操作： 默认的 READ COMMITTED 在防止脏读的同时提供了良好的性能。REPEATABLE READ 和 SERIALIZABLE 提供更强的一致性，但可能导致更多的 serialization_failure 错误（这本质上是快照隔离的死锁）和潜在的更多锁争用。仅在绝对必要时才使用它们。

4. 优化查询和索引

  • 规则： 慢查询会持有锁更长时间。确保您的查询高效且索引良好。
  • 操作： 使用 EXPLAIN ANALYZE 来识别慢查询。添加适当的索引以加快数据检索，特别是对于 WHERE 子句和 JOIN 条件。

5. 谨慎使用 SELECT ... FOR UPDATE

  • 规则： SELECT ... FOR UPDATE 会在事务持续期间锁定行。这对于防止竞态条件非常强大，但也可能是争用的主要来源。
  • 操作： 仅当您真正需要锁定行以防止它们在您的事务完成工作之前被其他事务修改时才使用它。考虑咨询锁是否更适合某些场景。

6. 咨询锁

  • 规则： 对于不直接映射到数据库对象锁的应用程序级锁定或更复杂的同步需求，PostgreSQL 的咨询锁可能是一个强大的工具。
  • 操作： 使用 pg_advisory_lock()、pg_advisory_lock_shared() 和 pg_advisory_unlock() 等函数来实现自定义锁定机制。这些锁不会被死锁检测机制自动检测到，因此应用程序逻辑必须谨慎管理它们。

7. 批处理操作

  • 规则： 考虑将许多单独的 UPDATE 或 DELETE 语句批处理成单个语句，或者在可能的情况下使用 COPY 进行批量加载/更新，而不是单独发出。
  • 操作： 单个 UPDATE 语句获取锁可能比循环执行单个 UPDATE 更高效。分析批处理操作的锁定行为。

结论

锁争用和死锁是高并发数据库环境中的常见挑战。通过理解 PostgreSQL 锁定的基本概念，利用 pg_locks 和 pg_stat_activity 等工具诊断问题，并实施预防策略，例如一致的事务顺序、最小化事务持续时间以及优化查询，您可以显著提高 PostgreSQL 数据库的稳定性和性能。请记住，应用程序中健壮的错误处理，特别是对于重试死锁事务，也是有效管理这些情况的关键部分。