Oracle Shared Pool机制之——Latches, Locks, Pins and Mutexes

本文中，我们将讨论共享池（Shared Pool）中的各种内存保护结构，即Latches,Locks,Pins和Mutexes。

1.  Lathes

当在库缓冲（Libraray Cache）中创建新对象而没有足够的自由内存（没有足够大的单个自由内存块（Chunk of Free Memory））时，Oracle就会用LRU算法从相应哈希链表上分离（Delink）已有对象，并将新对象加入哈希链表上，该过程中，都会涉及各个对象中前后地址指针的修改，也会涉及各对象在自由链表及库缓冲链表间的移动。

如上场景中，Latches将派上用场。Latches是保护系统全局区中共享数据结构的简单、低级的串行机制。Latches消除了多进程同时修改共享内存时面临的冲突问题。当服务器或后台进程操作或访问这些共享数据结构时，将会在很短时间内获取Latches。

共享池Latches用于保护和获取共享池的并发访问。一个Latch可以覆盖多个哈希桶（Hash Buckets），因此，一个进程在哈希桶中搜索某个对象前，必须先获取保护该哈希桶的Latch，然后，搜索整个哈希桶链表，完成需要的所有处理和操作后，再释放该哈希桶上的Latch。如果此时另一个用户也想搜索同一个Latch下的某个哈希桶链表，那么，就必须等待前面的用户释放覆盖该哈希桶链表的那个Latch，这就导致了Latch冲突。

2.  Latches冲突——Locks和Pins

当Latch被长久持有或Latch需求太高时，就会产生Latch冲突。影响Latch

冲突的因素主要有三个。

1)  覆盖整个库缓冲的Latches数。如果Latches数较多，那么，每个Latch保护的哈希桶数就会更少，当你需要搜索某个哈希桶链表时与其他使用相同Latch的用户发生冲突的几率就会少；另一方面，如果系统中有更多的Latches，那么，系统将会有更多的维护、报告或清理任务要做。

共享池架构中，有固定数目的库缓冲Latches保护固定数目的哈希桶，当然，也会按需增长。

直到Oracle 10g版本，覆盖库缓冲的Latches数都非常少。该数目依赖于系统上的CPUs数，应该是与cpu_count参数值相当在，直至最大达到67个Latches。这个数目出奇的小，以至于，即使在系统上运行少量而频繁执行的不通过语句，即使存取不同的哈希桶，但可能因为获取相同Latch而发生Latches冲突。

2)  需要获取特定Latches的次数。用户获取特定Latch并遍历相应链表的次数越多，与其他获取同样Latches的其他用户产生冲突的可能性就越大。

一旦发现某个对象，我们可以给该对象附加一个KGL Locks（kgllock），从而使得对库缓冲的搜索次数最小化，这样，我们就拥有一个到该对象的捷径（当打开/关闭游标时存储于PGA中）。当下次同样的语句发布时，我们就可以在PGA中找到该对象而不必再搜索相应的哈希桶链表（软软解析）。

3)  必须持有Latch的时长。大家持有Latch的时间越长，那么，与其他持有该Latch的其他人产生冲突的可能性就越大。

我们应该避免长时间持有Latches。这就意味着当我们对已发现的某个内存区域做一些耗时处理时，可以将该对象Pin住，以保护我们正使用的内存区域，从而我们能释放相关Latch。

因此，服务进程发现相应哈希桶后，随后的步骤如下所示。

a)  获取覆盖相应哈希桶的Latch；

b)  获取特定对象上的Lock以便将指向该对象的指针放入PGA中（当打开游标时）；

c)  将该对象Pin住并释放相应Latch；

d)  完成特定对象上的所有处理和操作（例如：执行语句/过程）；

e)  获相应Latch，Unpin该对象并释放相应Latch；

除非发生修改，否则，Locks和Pins通常处于共享模式。

3.  Lirary Cache Locks(KGL Locks) 如何被获取?

可以通过三种主要方式可以获取KGL Locks：

1)  用户可以写前端代码来持有频繁使用的游标；

2)  用户可以设置session_cached_cursors参数，以使得Oracle看到用户使用一条语句多于两次时，库缓冲将自动持有相关游标；

3)  用户将得益于PL/SQL调用中打开（显式或隐式）的游标将被持有的半自动方式，该功能在Oracle 9.2.0.5以上版本中被支持。该特性也将通过session_cached_cursors参数设置进行控制。当代码不显式持有游标时，该参数设置将被持有的游标数，该参数也控制持有会话运行PL/SQL代码打开的游标数。

4.  KGL Locks的好处

除了最小化我们搜索对象时对库缓冲的检索次数外，该Locks还提供如下好处：

1）通过Locks方式，一个用户可以阻止其他用户存取相同的对象。库缓冲Locks用对象句柄作为资源结构，且获取该资源上的Locks。如果资源处于不兼容模式而不可用，则会话必须等待库缓冲对象变为可用。

2）也被称为解析（Parse）Locks的库缓冲Locks用于维护对象及其依赖对象的依赖机制。

5.  为什么需要库缓冲Pins（KGL Pins）?

当一个对象被实际使用时，KGL Pin才会发挥作用。虽然KGL Locks将持有内存中的对象（PGA中的游标指向共享池中的对象），但如果系统上内存压力较大，对象的某些动态创建部分（例如：SQL语句的执行计划）也将会被移出内存。然而，当一个对象被实际使用时，必须确保其可重建部分不能被移出内存，因此，为了确保这点，需要将这些对象Pin住。

Pin住对象会导致其相关堆被加载进内存。如果一个用户想修改或检查该对象，则必须获取Lock后再获取Pin。

如果一个用户想修改库缓冲对象依赖的底层对象，则需要首先以独占模式获取该底层对象上的库缓冲Pin。如果依赖库缓冲对象（例如：SQL语句）正在执行，则这些Pins将因为不可用而发生等待。因此，库缓冲对象上的解析Locks被破坏前，独占模式的库缓冲Pins必须首先被获取，以便对库缓冲对象进行更改。

库缓冲对象上Locks及Pins的相关信息可通过三个X$表进行查询，即x$kgllk, x$kglpn和x$kglob.

1）x$kgllk包含一个对象上的所有Locks结构；

2）x$kglob包含Locks资源项；

3）x$kglpn 包含所有的库缓冲Pins。

6.  KGL Locks及Pins相关问题

库缓冲锁及钉住（Locking和Pinning）机制也许会导致两个问题。

KGL Locks及Pins本身只是小内存区域，根据需求同时被分别创建和废弃，并从共享池分配内存。因为KGL Locks大约占用200个字节，而KGL Pin大约占用40个字节，因为相关它们的内存经常分配和释放，导致共享池出现蜂窝状的自由内存，即自有内存总数很多，但没有连续的大内存块。因为库缓冲Pins来去很快而非常讨厌，KGL Locks则因为能和对象存在一段时间而不是那么太糟糕。

KGL Locks及Pins相关的另一个问题是，当使用它们时，必须频繁的创建内存区域，标明属性，将它们插入链表（或移出链表并将其放回共享池），期间，这些操作需要一直持有独占模式的Latch，对繁忙的系统来说，整个库缓冲Locks及Pins将带来很大威胁。

Oracle10g版本中，Oracle公司引进了库缓冲Lock Latch和库缓冲Pin Latch，这将允许对相同Latch覆盖的不同哈希桶进行某些并发操作。然而，当我们升级到Oracle 11版本时，整个KGL Lock及Pin机制逐渐被Mutex机制替代。

7.  Mutexes

为了改善游标的执行和硬解析，Oracle 10gR2版本引入了一个新的、更好粒度的内存串行机制。对某些共享游标相关的操作，Mutexes（Mutual exclusion objects，互斥对象）可用来替代库缓冲Latches和库缓冲Pins。Mutex工作方式与Latch基本相同，但操作Mutexes的代码路径更短，更轻量级，通常也会被硬件直接支持。因此，与Latch机制相比，Mutexes会更快，耗费更少的CPU，并发性方面也会有很大提升。32位Linux系统上，常规Latch结构占用110字节，而Mutex仅占28字节。而Mutex消耗的指令也更少。获取一个Latch需要消耗150~200个指令，而获取一个Mutex则只需大约30-35个指令。

因为Mutex提供较少关于谁正等待什么及等待时长等信息，所以，Mutex结构较小。你可以获取Mutex睡眠次数的信息，但不能获取需求次数及命中失败次数。

8.  Mutex的好处

Mutexes可以共享或独占模式获取，也可以等待或非等待模式完成。

1）Mutexes不太容易发生假性冲突。前面提到，多个哈希桶可能在同一个Latch覆盖之下。而两个用户搜索同一Latch覆盖下的两个不同哈希桶容易发生假性冲突。即因保护机制（Latch）而非用户正存取的目标对象而发生的冲突。不像Latches，Mutexes可能会为每个被保护对象创建一个Mutex。这样，因为每个被保护的结构都有一个自己的Mutex，这就意味着发生假性冲突的可能性要低得多。目前，父子游标都有自己的Mutex，用户不必为了争夺被多个游标共用的一个Latch而发生冲突。

2）替换Latches和Pins：Mutexes具有双重性。其可以作为一种串行机制（像一个Latch），同时也可以作为一个Pin（例如：阻止对象从内存中被移除）。 一个Latch不能被多个会话同时获取，而一个Mutex可以被多个会话同时参考，多个会话可以共享模式参考该Mutex。以共享模式参考一个Mutex的总会话数被称为参考数（Ref Count）。一个Mutex的参考数被存储于其自身。一个Mutex也可以独占模式被一个会话持有。

一个Mutex的参考数是对一个库缓冲Pin的替代。当使用Latches时，任何时候每个会话执行一个语句时，它首先重建并接着删除一个库缓冲Pin，而使用Mutex时，每个会话只需增加和减少相关Mutex的参考数即可（因此，参考数可替代n个不同的Pins）。这意味着在一个对象相关Mutex的参考数降为零之前，即该对象目前未被任何用户存取，该对象不能被从内存中移除。3）Mutex结构位于每个子游标句柄中，且其本身作为该游标的Pin结构。为了改变游标的Pin状态，之前我们需要获取库缓冲Latch，但现在我们可以直接修改游标Mutex的参考数。

除了每个子游标句柄中有Mutex结构且其作为游标Pin结构而带来的主要好处。如果你正有一个游标被打开（或在会话游标缓冲内），你不必获取库缓冲Latch（而之前为了改变游标Pin状态而必须这么做），就可以直接修改游标Mutex的参考数（通过会话UGA内打开游标状态区域的指针）。

所以，当钉住和释放（Pinning/unpinning）游标且无需分配和维护单独的Pin结构时，将会获得极高的可扩展性。

9.  相关注意事项

1) 库缓冲Latch机制在解析等操作中依然被需要，Mutexes仅仅解决了库缓冲的Pin问题。

2) Mutexes目前被用于库缓冲游标（而非其他类似PL/SQL存储过程，表定义等）。

3)由于Mutexes是一种通用机制（而非库缓冲专用），其也被用于V$SQLSTATS底层结构。

4)当Mutexes被开启时，从X$KGLPN中将不再能看到游标Pins（由于X$KGLPN是一个基于KGL Pin数组的固定表——其将不再被用于游标）。

5）Latches和Mutexes为独立的机制，即一个进程可以同时持有Latch和Mutex。Oracle10.2.0.2以上的版本中，只要“_kks_use_mutex_pin”参数被开启，库缓冲Pin Latch将被Mutex替代，同时，其他一些类似V$SQLSTATS数组及父游标检查的操作也被Mutexes保护。然而，使用kksfbc()的真正子游标查找依然被库缓冲Latches保护，但是，频繁软解析加上很少的游标缓冲及较长的库缓冲哈希链将导致这些Latches成为一个问题（记住，即使在普通的哈希链扫描中，库缓冲Latch始终被以独占方式获取）。

Oracle 10g中，你将看到三种类型的Muxtes被使用，分别为Cursor Stat，Cursor Parent，Cursor Pin。因此，Oracle 11.2版本中去掉了所有内存和链表的小区域，事实上，该版本甚至去掉了用于保护哈希链的Latches，而代之以Mutexes。每个哈希桶被一个Mutex保护。如果在哈希桶上采用Mutexes，那就是用每个桶上一个Micro-Latch代替了最大用67个Latches覆盖131072个桶。如果在每个库缓冲对象上用一个Mutex来代表KGL Locks，而用另一个来代表KGL Pins，那将不必做所有的内存分配和释放，也不必运行代码来进行连接链表的操作。因此，从Oracle 11g版本开始，每个库缓冲桶由一个独立的Mutex来保护（对，总共131072）。

Oracle 11g版本中，有另外一些Mutexes，其中最重要的一个是库缓冲Mutex。同时，除了“library cache load lock”外，所有库缓冲相关的Latches都消失了，取而代之，相应操作都被Mutexes保护。“libarary cache”Latches已被“library cache”Mutexes替代。

下列出现于Oracle 10g版本的Latches在Oracle 11g中已不复存在：

librarycache pin allocation

librarycache lock allocation

librarycache hash chains

librarycache lock

librarycache

librarycache pin

而Oracle 11g版本中仅剩的Latches为：

librarycache load lock

下列出现于Oracle 10g版本的与库缓冲相关的等待事件在Oracle 11g版本中也不复存在：

latch:library cache

latch:library cache lock

latch:library cache pin

Oracle 11g版本中与库缓冲相关的等待事件为：

librarycache pin

librarycache lock

librarycache load lock

librarycache: mutex X

librarycache: mutex S

OSD IPClibrary

librarycache revalidation

librarycache shutdown

当然，库缓冲Mutexes还并不能解决这个世界的所有问题（特别是与过度硬解析相关的问题）,例如：两个完全不同的游标依然有可能发生哈希冲突。如果一个父游标下有多个子游标，而应用疏于游标管理（例如：每次执行后关闭游标，而没有做会话游标缓冲），那么，由于连续的游标哈希链遍历而可能发生Mutex冲突。