数据库内核月报 － 2020 / 01

背景

众所周知，基于X86架构的CPU瓜分了服务器领域90%领域以上的市场，而基于ARM架构的CPU则占据了移动芯片领域绝大部份的市场。MySQL作为流行的通用数据库，可能运行在任何架构的CPU上。然而，与X86不同，ARM架构的CPU往往是弱内存序模型，这对于基于原子操作+内存屏障实现锁机制的InnoDB而言，可能引入新的bug。

如上图所示，X86属于强序模型，仅会发生“写-读”乱序：即写操作后的读操作被乱序到写操作前执行。引入乱序机制的根本原因在于片上缓存/同步机制的设计机制（为了提高CPU流水线的执行效率）。介绍这方面资料的相关文章很多，读者可以自行搜索阅读，本文在此不表。而ARM架构的处理器核数往往更多，因此它采用了更加激进的弱序模型，除了依赖读操作，所有读/写操作都可能出现乱序的问题。基于这一背景，我们发现了MySQL 8.0.13代码在ARM上出现的死锁问题（目前官方已修复：link）。

问题分析

如上文所述，InnoDB基于原子操作+内存屏障实现了自己的一套锁机制。为了便于读者阅读和问题理解，我们简化了相关代码。对于读写锁rw_lock_t类型，我们主要介绍writer_thread和recursive这两个变量：writer_thread表示持有锁的写线程，recursive表示这个锁是否是递归锁和writer_thread值的合法性。我们假设两个线程A和B按照以下顺序执行锁操作：step1. A成功申请了写锁，并调用rw_lock_set_writer_id_and_recursion_flag()函数，修改了writer_thread=A和recursive=true这两个变量，recursive=true表示writer_thread的值是合法的；step2. A释放了写锁，将recursive变量修改为false，表示writer_thread是非法的；step3. B申请了写锁，并调用rw_lock_set_writer_id_and_recursion_flag()函数，修改了writer_thread=B和recursive=true这两个变量；step4. A申请写锁，发现写锁已经被某线程持有。然而因为rw_lock_t是递归锁，A需要检查持有该写锁的线程是否是自己，如果是就成功获得锁。如果多线程执行无法保证step3和step4两组操作之间的执行顺序，这里的判断逻辑就会在ARM架构上引入严重bug。

首先我们说明rw_lock_set_writer_id_and_recursion_flag()函数。由于os_compare_and_swap_thread_id原子操作包含了wmb屏障，这里的写操作逻辑在ARM上没有问题。writer_thread会先被设置，然后lock->recursive才被设置成true表示writer_thread是合法的。

/* rw_lock_set_writer_id_and_recursion_flag()函数 */
1.   local_thread = lock->writer_thread;
2.   /* 原子操作包含wmb，这块的顺序没问题 */
3.   success = os_compare_and_swap_thread_id( &lock->writer_thread, local_thread, curr_thread);
4.   lock->recursive = recursive;

其次，我们说明step4中的判断逻辑。首先，line-3的os_rmb对本问题毫无作用，我们来看line-5的问题。line-5主要包含了lock->recursive和os_thread_eq(lock->writer_thread, thread_id)的判断，包含lock->recursive和lock->writer_thread两个读操作。在X86上，我们保证先读lock->recursive，再读lock->writer_thread的顺序。如果lock->recursive为true，我们才会访问lock->writer_thread的值，这就和上面的rw_lock_set_writer_id_and_recursion_flag()函数相呼应，保证看到的lock->writer_thread一定是最新的。

/* 判断是否是本线程持有了这个rw_lock_t锁 */
1.   os_thread_id_t thread_id = os_thread_get_curr_id();
2.   if (!pass) {
3.       os_rmb;          /* 这个rmb有什么问题吗？ */ 
4.   }
5.   if (!pass && lock->recursive && os_thread_eq(lock->writer_thread, thread_id)) {
6.       /* 判断是本线程持有了锁，开始执行后续逻辑 */

然而，ARM这类弱序模型可能打乱了lock->recursive和lock->writer_thread两个读操作的顺序。以step4为例，A先访问了lock->writer_thread，然后才访问lock->recursive。这时候如果step4和step3是交叉执行的，就会引入bug。例如A访问lock->writer_thread是在step3之前，这时候它获取到的lock->writer_thread=A（这时候lock->recursive=false，表明这个值是无效的）。然而如果这时候step3执行完成，A然后才访问了lock->recursive=true，这就导致A以为自己持有了这个写锁，就进入了后面的递归锁逻辑。这导致了临界区的混乱，两个线程可能进入了同一个临界区。这个问题导致的后果，轻则死锁，重则mysqld崩溃甚至数据写坏。

问题修复

基于上述分析，修复这个问题仅需要保证lock->recursive和lock->writer_thread两个读操作的顺序，因此我们的修复方案如下：

/* 判断是否是本线程持有了这个rw_lock_t锁 */
1.   bool recursive;
2.   os_thread_id_t writer_thread;
3.   if (!pass) {
4.       recursive = lock->recursive; 
5.       os_rmb;
6.        writer_thread = lock->writer_thread;
7.   }
8.   if (!pass && recursive && os_thread_eq(writer_thread, thread_id)) {
9.       /* 判断是本线程持有了锁，开始执行后续逻辑 */

通过这个bug，我们了解到：在ARM这类弱序模型上编写多线程程序的时候（尤其是lock-free算法），要特别注意内存屏障的使用，避免出现临界区混乱等问题