8.3 缓冲区管理器锁

在9.4版本之前，BufMappingLock在默认情况下被分为16个独立的锁。

• 将行（即元组）插入页面，或更改页面中元组的t_xmin/t_xmax字段时（t_xmin和t_xmax在 5.2 元组结构 中介绍，简单地说，这些字段会在相关元组被删除或更新行时发生更改）。
• 物理移除元组，或压紧页面上的空闲空间（由清理过程和HOT执行，分别在 第六章 清理过程（VACUUM） 和 第七章 堆内元组与仅索引扫描 中介绍）。
• 冻结页面中的元组（冻结过程在 第5.10.1节 与 第6.3节 中介绍）。

1. 下面是钉住 缓冲区描述符的例子：
   1. 获取缓冲区描述符上的自旋锁。
   2. 将其refcount和usage_count的值增加1。
   3. 释放自旋锁。

• LockBufHdr(bufferdesc);    /* 获取自旋锁 */
  bufferdesc->refcont++;
  bufferdesc->usage_count++;
  UnlockBufHdr(bufferdesc);  /* 释放该自旋锁 */
  

2. 下面是将脏位设置为"1"的例子：
   1. 获取缓冲区描述符上的自旋锁。
   2. 使用位操作将脏位置位为"1"。
   3. 释放自旋锁。

• #define BM_DIRTY             (1 << 0)    /* 数据需要写回 */
  #define BM_VALID             (1 << 1)    /* 数据有效 */
  #define BM_TAG_VALID         (1 << 2)    /* 已经分配了TAG */
  #define BM_IO_IN_PROGRESS    (1 << 3)    /* 正在进行读写 */
  #define BM_JUST_DIRTIED      (1 << 5)    /* 开始写之后刚写脏 */
  LockBufHdr(bufferdesc);
  bufferdesc->flags |= BM_DIRTY;
  UnlockBufHdr(bufferdesc);
  

  其他标记位也是通过同样的方式来设置的。

用原子操作替换缓冲区管理器的自旋锁

在9.6版本中，缓冲区管理器的自旋锁被替换为原子操作，可以参考这个提交日志的内容。如果想进一步了解详情，可以参阅这里的讨论。

附，9.6版本中缓冲区描述符的数据结构定义。

/* src/include/storage/buf_internals.h  (since 9.6, 移除了一些字段) */

/* 缓冲区描述符的标记位定义(since 9.6)
 * 注意：TAG_VALID实际上意味着缓冲区哈希表中有一条与本tag关联的项目。
 */
#define BM_LOCKED                (1U << 22)    /* 缓冲区首部被锁定 */
#define BM_DIRTY                (1U << 23)    /* 数据需要写入 */
#define BM_VALID                (1U << 24)    /* 数据有效 */
#define BM_TAG_VALID            (1U << 25)    /* 标签有效，已经分配 */
#define BM_IO_IN_PROGRESS        (1U << 26)    /* 读写进行中 */
#define BM_IO_ERROR                (1U << 27)    /* 先前的I/O失败 */
#define BM_JUST_DIRTIED            (1U << 28)    /* 写之前已经脏了 */
#define BM_PIN_COUNT_WAITER        (1U << 29)    /* 有人等着钉页面 */
#define BM_CHECKPOINT_NEEDED    (1U << 30)    /* 必需在检查点时写入 */
#define BM_PERMANENT            (1U << 31)    /* 永久缓冲 */


/* BufferDesc -- 单个共享缓冲区的共享描述符/共享状态
 * 
 * 注意: 读写tag, state, wait_backend_pid 等字段时必须持有缓冲区首部锁(BM_LOCKED标记位)
 * 简单地说，refcount, usagecount,标记位组合起来被放入一个原子变量state中，而缓冲区首部锁
 * 实际上是嵌入标记位中的一个bit。 这种设计允许我们使用单个原子操作，而不是获取/释放自旋锁
 * 来实现一些操作。举个例子，refcount的增减。buf_id字段在初始化之后再也不会改变，所以不需要锁。
 * freeNext是通过buffer_strategy_lock而非buf_hdr_lock来保护的。LWLocks字段可以自己管好自
 * 己。注意buf_hdr_lock *不是* 用来控制对缓冲区内数据的访问的！
 *
 * 我们假设当持有首部锁时，没人会修改state字段。因此持有缓冲区首部锁的人可以在一次写入中
 * 中对state变量进行很复杂的更新，包括更新完的同时释放锁（清理BM_LOCKED标记位）。此外，不持有
 * 缓冲区首部锁而对state进行更新仅限于CAS操作，它能确保操作时BM_LOCKED标记位没有被置位。
 * 不允许使用原子自增/自减，OR/AND等操作。
 *
 * 一个例外是，如果我们固定了(pinned)该缓冲区，它的标签除了我们自己之外不会被偷偷修改。
 * 所以我们无需锁定自旋锁就可以检视该标签。此外，一次性的标记读取也无需锁定自旋锁，
 * 当我们期待测试标记位不会改变时，这种做法很常见。
 *
 * 如果另一个后端固定了该缓冲区，我们就无法从磁盘页面上物理移除项目了。因此后端需要等待
 * 所有其他的钉被移除。移除时它会得到通知，这是通过将它的PID存到wait_backend_pid，并设置
 * BM_PIN_COUNT_WAITER标记为而实现的。目前而言，每个缓冲区只能有一个等待者。
 *
 * 对于本地缓冲区，我们也使用同样的首部，不过锁字段就没用了，一些标记位也没用了。为了避免不必要
 * 的额外开销，对state字段的操作不需要用实际的原子操作（即pg_atomic_read_u32，
 * pg_atomic_unlocked_write_u32）
 *
 * 增加该结构的尺寸，增减，重排该结构的成员时需要特别小心。保证该结构体小于64字节对于性能
 * 至关重要(最常见的CPU缓存线尺寸)。
 */
typedef struct BufferDesc
{
    BufferTag    tag;            /* 存储在缓冲区中页面的标识 */
    int            buf_id;            /* 缓冲区的索引编号 (从0开始) */

    /* 标记的状态，包含标记位，引用计数，使用计数 */
    /* 9.6使用原子操作替换了很多字段的功能 */
    pg_atomic_uint32 state;

    int            wait_backend_pid;    /* 等待钉页计数的后端进程PID */
    int            freeNext;            /* 空闲链表中的链接 */

    LWLock        content_lock;        /* 访问缓冲内容的锁 */
} BufferDesc;