第 10 章 顾此失彼：并发控制与隔离异常

单条 SQL 正确、单个事务顺序执行正确，不代表并发执行仍正确。并发控制的起点不是先选隔离级别，而是写出业务不变量和允许的失败语义：

business invariant
  → concurrent read/write set and possible interleavings
  → snapshot/isolation guarantee
  → atomic SQL, row lock, optimistic CAS, SSI or advisory coordination
  → retryable SQLSTATE + whole-transaction replay
  → idempotency and external-effect protocol
  → lock/error/latency evidence
  → two-connection invariant test

PostgreSQL 的 Read Committed、Repeatable Read 与 Serializable 不是“性能低、中、高”的旋钮。它们允许或拒绝的交错不同；拒绝通常表现为需要应用处理的 40001，不是数据库自动把原事务重新执行。

本章目标

完成本章后，读者应当能够：

• 区分 Read Committed 的语句快照与 Repeatable Read 的事务快照；
• 知道 PostgreSQL 的 Read Uncommitted 实际等同 Read Committed；
• 解释 PostgreSQL Repeatable Read 是 snapshot isolation，仍允许 write skew；
• 说明 Serializable Snapshot Isolation 如何用 SIReadLock 识别危险依赖；
• 把 40001 理解为“整个事务必须重放”，而非重试最后一条 SQL；
• 用确定性交错重现 read–compute–write lost update；
• 用 SET col = col - $1 WHERE ... 做原子条件更新；
• 用 version compare-and-swap 识别并处理乐观冲突；
• 区分 FOR UPDATE、FOR NO KEY UPDATE、FOR SHARE 与 FOR KEY SHARE；
• 正确选择 NOWAIT、SKIP LOCKED，并说明后者为何只适合 queue-like workload；
• 建立统一 lock order，识别 40P01 并回放整个事务；
• 区分 session-level 与 transaction-level advisory lock 生命周期；
• 设计 advisory key namespace、owner、timeout 与释放协议；
• 使用 pg_stat_activity、pg_locks 和 pg_blocking_pids() 保存精确阻塞图；
• 用 Pigsty 的 Activity/Xacts/PGCAT Locks/日志时间窗量化并发问题；
• 设计 payment idempotency key、payload fingerprint 与响应复用；
• 用 transactional outbox 跨越数据库 commit 与外部消息边界；
• 把隔离、重试、幂等与外部副作用要求追加到 DEFAULT-TXNN-007。

实验边界

实验基线为 PostgreSQL 18.4、Pigsty v4.4.0、Ubuntu 24.04 L1；主体机制保持 PostgreSQL 14–18 可用。只创建六张带固定 marker 的表：

ch10_inventory        two SKUs / available=100 / version=0
ch10_doctor           two on-call doctors
ch10_deadlock_probe   two lock-order rows
ch10_job              six queued jobs
ch10_payment_request  idempotency authority
ch10_outbox            committed external-effect intent

协调器使用 advisory 两整数 key space：

(3610, 1001..1016)

它只控制教学 interleaving，不参与业务正确性。每个 case 后必须 worker=0、barrier lock=0。setup 在 marker 匹配后重建，属于 R1；reset 属于 R2，需要 action/target 双 token。

下载资产：

• 实验合同
• 上下文 guard
• 确定性 fixture
• 并发协调与断言器
• lost-update worker
• 原子更新 worker
• 乐观更新 worker
• 乐观重试
• Repeatable Read worker
• write-skew/SSI worker
• 行锁 holder
• 行锁 waiter
• NOWAIT probe
• SKIP LOCKED worker
• deadlock worker
• payment idempotency worker
• 不同 payload 反例
• 最终状态验收
• 双 token reset
• 语义审查器
• v0.5 规则提案
• 任务入口

所属位置

• 卷别：上卷：应用开发（独立导读页，不构成章节父目录）
• 教学分组：第二篇：应用——从 SQL 正确走向稳定交付
• 兼容入口：/ch10/、/volume-1/concurrency-isolation/

本章目录

10.1 隔离级别与可观察现象

• 10.1.1 Read Committed 的语句快照
• 10.1.2 Repeatable Read 的事务快照与写冲突
• 10.1.3 Serializable、谓词冲突与序列化失败

10.2 Lost update 不是一句口号

• 10.2.1 读—算—写在 Read Committed 下如何丢更新
• 10.2.2 原子更新与带版本条件的更新
• 10.2.3 更高隔离级别何时拒绝而不是静默覆盖

10.3 悲观锁与锁队列

• 10.3.1 FOR UPDATE、NO KEY UPDATE 与引用关系
• 10.3.2 NOWAIT、SKIP LOCKED 与任务领取
• 10.3.3 锁顺序、阻塞链与死锁

10.4 乐观控制、重试与幂等

• 10.4.1 版本列、唯一键与条件写入
• 10.4.2 重试只包围可重放的事务
• 10.4.3 支付、消息与外部副作用的边界

10.5 咨询锁与跨行协调

• 10.5.1 会话级与事务级咨询锁
• 10.5.2 键空间、碰撞与所有权
• 10.5.3 不用咨询锁掩盖缺失的数据约束

10.6 观察与诊断并发

• 10.6.1 pg_stat_activity、pg_locks 与等待事件
• 10.6.2 从 Pigsty 定位锁等待与长事务
• 10.6.3 保存阻塞图，而不是先杀会话

10.7 实战：库存扣减与支付幂等

• 10.7.1 在指定隔离级别重现丢更新和死锁
• 10.7.2 比较原子更新、行锁与可重试事务
• 10.7.3 用并发测试验证业务不变量并追加规约

实测摘要

一次 PostgreSQL 18.4 全量验收得到：

lost:
  both read 100 / requested total 30
  serial expected 70 / actual 80 or 90

safe writes:
  atomic → 2 successes / final 70 / version 2
  optimistic → first 1 success + 1 conflict
               whole retry 1 success / final 70 / version 2

isolation:
  Repeatable Read same-row update → 1 commit + one 40001
  Repeatable Read write skew      → 2 commits / on-call 0
  Serializable write skew         → SIReadLock observed
                                    1 commit + one 40001 / on-call 1

locks:
  NOWAIT=55P03
  deadlock=one 40P01 / survivor leaves rows [1,1]
  SKIP LOCKED=two workers × 3 / duplicate 0
  row lock=one blocker edge / waiter sees 90 / final 70

idempotency:
  concurrent requests 2 / inserted 1 / reused 1
  payment 1 / outbox 1 / distinct response 1
  same key different payload=P0001 / state unchanged

final:
  worker=0 / advisory barrier=0
  relation checksum=f8a7bfae59c6d16cd323abecfefe1014

胜出事务、PID、XID、backend_start、lost-update 最终是 80 还是 90 都不是 golden。稳定断言是允许/拒绝的交错、SQLSTATE、多连接关系、业务不变量和最终清理。

章节验收

1. 每个并发写先声明 invariant、read set、write set 与 failure contract；
2. Read Committed 的两条普通 SELECT 可见不同已提交状态；
3. UPDATE SET x=x+... 与 application read–compute–write 的语义差别明确；
4. optimistic zero-row update 被当冲突，而非成功；
5. Repeatable Read concurrent row update 以 40001 拒绝；
6. Repeatable Read write skew 反例被实际重现；
7. Serializable 的 SIReadLock 和 40001 都有 raw evidence；
8. 整事务 retry 有 attempt/time budget、backoff/jitter 与新 snapshot；
9. row lock mode 与 foreign-key key update 边界正确；
10. NOWAIT 55P03、SKIP LOCKED queue-only 边界明确；
11. 所有多行写有统一 lock order，40P01 仍被整事务处理；
12. advisory key namespace/lifetime/owner/timeout 可审计；
13. 阻塞动作使用 PID + backend_start + database + application identity；
14. Pigsty 时间窗能落回 exact blocker graph、SQLSTATE 与 transaction age；
15. idempotency key 绑定 payload fingerprint 与 response；
16. 相同 key 不同 payload 必须拒绝；
17. 数据库事务内只写 outbox，不调用远程支付/消息；
18. task.sh all、双 token reset 与错误 token 反例均通过；
19. 最终 worker/advisory=0，业务 checksum 不变；
20. v0.5 仍是有依赖的 candidate，不冒充已发布 baseline。

下一章 ch11《守正出奇：模式变更与安全发布》 将把本章的锁、事务与兼容语义应用到真实 DDL 发布。

参考资料

• PostgreSQL 18：Transaction Isolation
• PostgreSQL 18：Explicit Locking
• PostgreSQL 18：Serialization Failure Handling
• PostgreSQL 18：Advisory Lock Functions
• Pigsty：PostgreSQL Dashboards

上一章：巧夺天工：索引设计与效果验证 · 返回上卷导读 · 下一章：守正出奇：模式变更与安全发布 · 查看全书目录 · 查看索引中心