+18

009: Optimistic lock và Pessimistic lock

© Dat Bui | Buy me a coffee & give your kindness to the world

Bài viết nằm trong series Performance optimization với PostgreSQL.

Với series Multi-thread programming từ hardware đến software, ta biết rằng read/write data với multi-thread có thể dẫn đến data race, vấn đề nhỏ nhưng hậu quả lớn, khiến chương trình sai lệch trầm trọng.

Nghe có vẻ nguy hiểm nhưng cách giải quyết không có gì phức tạp, sử dụng các cơ chế mutual exclusion là giải quyết được vấn đề này.

Optimistic concurrency controlPessimistic concurrency control là hai khái niệm trong database nói đến cách xử lý read/write data với multi-session/multi-transaction. Cùng tìm hiểu kĩ hơn trong bài viết này nhé. Let's begin.

1) Pessimistic lock

Pessimistic concurrency control hay pessimistic lock đều diễn tả về cơ chế giải quyết xung đột khi có nhiều transaction cùng thay đổi dữ liệu trên một hoặc một tập các records.

Ví dụ như sau:

Rùa và Thỏ cùng chạy đua xem ai lấy được viên kim cương trước được đặt trong khu đền bí mật. Gấu là người canh gác khu đền, hắn sẽ cung cấp một thẻ bài duy nhất cho người đến trước. Người đến sau phải chờ cho đến khi người trước hoàn thành.

Nếu trò chơi có thêm Ngựa, Sói, Hổ... thì khả năng tắc nghẽn như đường Đào Tấn sáng thứ hai là khó tránh khỏi. Ai chậm chân chắc kịp mắc màn ngủ một giấc mới đến lượt 😴.

Pessimistic lock hoạt động tương tự như trò chơi trên. Khi transaction T(1) start và modify data, nó sẽ thực hiện lock row, page hoặc table tùy thuộc vào điều kiện query. Các transaction T(x) sau không thể modify data trên row đó mà bắt buộc phải chờ cho đến khi T(1) hoàn thành.

Nhược điểm của pessimistic lock là toàn bộ các transaction sau phải chờ cho đến khi transaction trước đó hoàn thành. Nếu chưa hoàn thành thì.. tiếp tục chờ đợi.

Tuy nhiên, nhược điểm trên cũng chính là ưu điểm của pessimistic lock. Do chỉ có duy nhất một transaction thực hiện write nên sẽ tránh conflict data với các transaction còn lại.

Cơ chế sử dụng pessimistic lock bao gồm 3 phase:

  • Xác định loại lock cần sử dụng: exclusive lock, shared lock...
  • Xây dựng cơ chế quản lý lock.
  • Xác định quy trình sử dụng lock cho các transaction.

Mình không đi chi tiết vào 3 phase này mà chỉ giải thích về các cơ chế lock exclusive lock, shared lock... ở bài sau 😂.

Với pessimistic lock, về cơ bản toàn bộ quá trình update diễn ra như sau:

  • Acquire lock.
  • Update data.
  • Release lock.

Hãy tưởng tượng quá trình update data diễn ra rất lâu, hoặc trước khi release lock lại thực hiện một load read data khác lâu không kém thì các transaction khác nếu update cùng data phải chờ mốc mỏ mới được thực thi. Thậm chí còn dẫn đến deadlock nếu transaction update data không release lock.

2) Optimistic lock

Ta thấy nhược điểm rất lớn của pessimistic lock liên quan đến vấn đề chờ đợi.. một khi đã chờ đợt thì rất bực mình. Thà là cho vào.. ngắm cái rồi đuổi về cũng được, đằng này cứ bắt chờ.

Optimistic lock linh hoạt hơn pessimistic lock, cho phép tất cả được vào nhưng.. chỉ có một con duy nhất chui vào trứng thành công 😂.

Đọc qua ví dụ sau nhé:

Vẫn là cuộc đua giữa Rùa và Thỏ và bác Gấu là người canh giữ ngôi đền bí mật. Thỏ nhanh chân hơn đến trước, bác Gấu phát cho Thỏ tấm thẻ chữ X để vào ngôi đền. Rùa chậm hơn đến sau nhưng cũng được phát cho tấm thẻ tương tự vào trong. Do Thỏ mải chơi ngắm nghía nên quên nhiệm vụ chính. Rùa mặc dù đến sau nhưng tập trung tìm kim cương nên lấy được trước. Rùa ra khỏi cửa trả cho bác Gấu tấm thẻ X, bác Gấu kiểm tra với tủ khóa hiện tại và chưa có ai trả khóa X cả. Bác gấu sau đó cập nhật khóa X lên Y và cho phép Rùa ra khỏi ngôi đền. Thỏ mải chơi ra sau trả thẻ cho bác Gấu. Lúc này khóa mới là Y, không khớp với thẻ của Thỏ. Bác Gấu phát mới cho Thỏ thẻ Y để làm lại nhiệm vụ nếu muốn tiếp tục cuộc chơi.

Lúc này, người đến ngôi đền trước chưa chắc đã là người chiến thắng. Kẻ chiến thắng là người lấy được viên kim cương và ra khỏi ngôi đền đầu tiên.

Cách hoạt động của optimistic lock tương tự với ví dụ trên. Thay vì lock row trong quá trình update như pessimistic lock, optimistic lock chỉ lock khi commit việc update.

Cơ chế update data với optimistic lock diễn ra như sau:

  • Fetch data kèm theo version hiện tại. Tất cả các transaction đều có thể fetch data mà không lo ngại vấn đề blocking.
  • Update data, đồng thời thêm một version mới.
  • Commit transaction. Bây giờ mới là lúc acquire lock. Bác Gấu kiểm tra version cũ của record đó có trùng với version hiện tại mà bác Gấu biết không. Nếu đúng thì cho phép update, đồng thời cập nhật version mới của data. Sau đó release lock. Nếu sai version thì.. tất nhiên rồi, lệnh update không thành công.

Hóa ra vẫn là lock, chỉ là chuyển từ vị trí này sang vị trí khác mà thôi 😂. Tuy nhiên việc chuyển dịch đó cũng là ưu điểm to lớn mà optimistic lock đem lại. At least, cost cho blocking đã giảm kha khá. Optimisic lock sẽ block để compare version nên diễn ra rất nhanh, thay vì block toàn bộ row/table để chờ quá trình update hoàn thành.

There's no free lunch. Nhanh chưa hẳn đã tốt, đặc biệt là các anh có vợ nhanh quá còn bị ăn.. chửi 😂. Nhược điểm chết người của optimistic lock nằm ở việc update data fail do sai version:

  • Retry, retry và retry ở application level. Thỏ phải request bác Gấu cấp một thẻ bài mới ứng với version mới, sau đó tiếp tục công cuộc tìm kiếm kim cương nếu vẫn muốn về đích.
  • Với bài toán UPDATE đi kèm WHERE condition. Nó là cả một sự phức tạp vì ban đầu việc UPDATE đó được phép và lỡ trigger một function nào đó. Tuy nhiên đến lúc COMMIT thì mới phát hiện ra sai version.
  • Ngoài ra, optimistic lock chỉ verify trên các update operation nên việc read vẫn có thể dẫn đến inconsistence data. Cụ tỉ thế nào chờ bài sau nhé.

Pessimistic lock khá đơn giản để implement, chỉ cần thực hiện lock row/set of row/table là ok. Tuy nhiên với optimistic lock sẽ phức tạp hơn, không hẳn là phức tạp mà là có nhiều cách để implement dựa trên việc quản lý version của record:

  • Time-based update detection: dựa trên giá trị time update của column để xác định version của data.
  • Implicit hidden column: tạo một column mới do database quản lý để lưu version.

3) Optimistic lock hay Pessimistic lock

Làm thế nào để xác định nên sử dụng loại nào trong trường hợp nào?

Google thôi, đùa chứ chúng ta dựa trên ưu và nhược điểm của từng loại để áp dụng cho phù hợp:

  • Optimistic lock: áp dụng với case có xác suất conflict transaction thấp, cực cực thấp để giảm việc retry.
  • Pessimistic lock: áp dụng với case có xác suất conflict transaction cao để đảm bảo data consistence và cũng giảm thiểu retry.

Với PostgreSQL, khi update record, nó không thực sự update mà tạo ra một version khác của record đó. Đón chờ bài sau để tìm hiểu kĩ hơn nhé với chủ đề Exclusive lock, shared lock và MVCC trong PostgreSQL.

Reference

Reference in series https://viblo.asia/s/performance-optimization-voi-postgresql-OVlYq8oal8W

After credit

So sánh với Java, pessimistic locksynchronizedoptimistic lock khá giống CAS vì đều là compare với version và thực hiện update.

Vì sao lại khá giống là không giống hoàn toàn?

Quá trình check version và update không phải atomic operation vì nó diễn ra trên 2 dữ liệu khác nhau. Do đó, ngoài việc inconsistence data nếu 2 transaction cùng read/write trên một hoặc một tập records, nó còn có thể xảy ra một tình huống khác là half written.

Read data cũ và mới - half-written, data đã được update nhưng chỉ một phần. Do việc write data xuống disk không phải atomic operation nên quá trình write chưa diễn ra xong thì đã read data.

© Dat Bui | Buy me a coffee & give your kindness to the world


All Rights Reserved

Viblo
Let's register a Viblo Account to get more interesting posts.