分散ロックマネージャー

分散ロック マネージャー( DLM ) は、クラスター全体のロック データベースの同一のコピーを使用して、クラスター内のすべてのマシンで実行されます。オペレーティング システムは、ロック マネージャーを使用して、リソースへのアクセスを整理およびシリアル化します。このようにして、DLM は、複数のマシン上のクラスター全体に分散されているソフトウェアアプリケーションに、共有リソースへのアクセスを同期する手段を提供します。

DLM は、いくつかの成功したクラスタ ファイル システムの基盤として使用されてきました。クラスタ ファイル システムでは、クラスタ内のマシンが統合ファイル システムを介して互いのストレージを使用できるため、パフォーマンスと可用性の面で大きな利点があります。主なパフォーマンス上の利点は、参加しているコンピュータ間のディスク キャッシュの一貫性の問題を解決することです。DLM は、ファイルのロックだけでなく、すべてのディスクアクセスの調整にも使用されます。広く使用されるようになった最初のクラスタリング システムである VMScluster は、まさにこの方法で OpenVMS DLM に依存していました。

DLM は、共有アクセスを制御する必要があるエンティティであるリソースという一般化された概念を使用します。これは、ファイル、レコード、共有メモリの領域、またはアプリケーション設計者が選択したその他のものに関連付けることができます。リソースの階層を定義して、複数のレベルのロックを実装できます。たとえば、仮想データベースでは、リソース階層を次のように定義できます。

• データベース
• テーブル
• 記録
• 分野

プロセスは、データベース全体に対するロックを取得し、その後データベースの特定の部分に対するロックを取得できます。従属リソースをロックする前に、親リソースに対するロックを取得する必要があります。

VMSCluster 内で実行されているプロセスは、リソースのロックを取得できます。付与できるロック モードは 6 つあり、付与される排他性のレベルを決定します。ロックをより高いまたはより低いレベルのロック モードに変換できます。すべてのプロセスがリソースのロックを解除すると、リソースに関するシステムの情報は破棄されます。

• Null (NL)。リソースへの関心を示しますが、他のプロセスによるロックは妨げません。プロセスがロックしていない場合でも、リソースとそのロック値ブロックが保持されるという利点があります。
• 同時読み取り (CR)。リソースの読み取り (更新は不可) を希望することを示します。他のプロセスがリソースを読み取ったり更新したりすることはできますが、他のプロセスがリソースに排他的にアクセスすることはできなくなります。これは通常、上位レベルのリソースで使用され、下位のリソースでより制限の厳しいロックを取得できるようにします。
• 同時書き込み (CW)。リソースの読み取りと更新の要求を示します。他のプロセスによるリソースの読み取りや更新も許可しますが、他のプロセスによるリソースへの排他的アクセスは禁止します。これは通常、上位レベルのリソースでも使用され、従属リソースでより制限の厳しいロックを取得できるようにします。
• 保護された読み取り (PR)。これは従来の共有ロックであり、リソースの読み取りを希望するが、他のユーザーが更新できないことを示します。ただし、他のユーザーもリソースを読み取ることができます。
• 保護された書き込み (PW)。これは従来の更新ロックであり、リソースの読み取りと更新の要求を示し、他のユーザーによる更新を防止します。ただし、同時読み取りアクセス権を持つ他のユーザーはリソースを読み取ることができます。
• 排他的 (EX)。これは、リソースへの読み取りおよび更新アクセスを許可し、他のユーザーによるアクセスを防止する従来の排他ロックです。

次の真理値表は、各ロック モードと他のロック モードとの互換性を示しています。

プロセスは、ロック要求をキューに登録することで、リソースのロックを取得できます。これは、I/O を実行するために使用されるQIOテクニックに似ています。キューに登録されたロック要求は、同期的に完了するか (この場合、プロセスはロックが許可されるまで待機します)、非同期的に完了するか (この場合、ロックが取得されたときにAST が発生します) のいずれかになります。

ブロッキング AST を確立することもできます。これは、プロセスがロックを取得し、別のプロセスによるリソースへのアクセスを妨げているときにトリガーされます。元のプロセスは、必要に応じて、他のプロセスによるアクセスを許可するためのアクション (ロックの降格または解放など) を実行できます。

各リソースにはロック値ブロックが関連付けられています。これは、リソースのロック (null ロック以外) を取得したすべてのプロセスによって読み取ることができ、保護された更新ロックまたは排他ロックを取得したプロセスによって更新できます。

アプリケーション設計者が選択したリソースに関するあらゆる情報を保持するために使用できます。典型的な使用法は、リソースのバージョン番号を保持することです。関連付けられたエンティティ (データベース レコードなど) が更新されるたびに、ロックの保持者はロック値ブロックを増分します。別のプロセスがリソースを読み取りたい場合、適切なロックを取得し、現在のロック値と、プロセスがリソースを最後にロックしたときの値を比較します。値が同じ場合、プロセスは関連付けられたエンティティが前回の読み取り以降更新されていないことを認識し、再度読み取る必要はありません。したがって、この手法を使用して、データベースまたは同様のアプリケーションで さまざまな種類のキャッシュを実装できます。

1 つ以上のプロセスがリソースのロックを取得した場合、各プロセスが他のプロセスによるロックの取得を妨害し、いずれのプロセスも先に進めない状況が発生する可能性があります。これはデッドロックと呼ばれます( EW ダイクストラはこれを元々「​​デッドリー エンブレム」と呼んでいました)。^[1]

簡単な例としては、プロセス 1 がリソース A の排他ロックを取得し、プロセス 2 がリソース B の排他ロックを取得した場合が挙げられます。プロセス 1 がリソース B をロックしようとすると、プロセス 2 がロックを解除するまで待機する必要があります。しかし、プロセス 2 がリソース A をロックしようとすると、両方のプロセスが互いに永久に待機することになります。

OpenVMS DLM はデッドロック状況を定期的にチェックします。上記の例では、プロセスの 1 つによる 2 番目のロック エンキュー要求がデッドロック ステータスで返されます。この場合、デッドロックを解決するためのアクション (この場合は取得した最初のロックを解放する) を実行するのはこのプロセスの責任となります。

Red HatとOracle はどちらもLinux用のクラスタリング ソフトウェアを開発しています。

OCFS2（Oracle Cluster File System）は、 2006年1月にバージョン2.6.16で公式Linuxカーネルに追加されました^[2]。OCFS2のアルファ品質コード警告は、2.6.19で削除されました。

Red Hatのクラスタソフトウェア（DLMとGFS2を含む）は、2006年11月にバージョン2.6.19で Linuxカーネル^{[3]に正式に追加されました。}

どちらのシステムも、由緒あるVMS DLMをモデルにしたDLMを使用しています。^[4] OracleのDLMはよりシンプルなAPIを備えています。(コア関数にはdlmlock()8つのパラメータがありますが、VMSSYS$ENQサービスとRed Hatのdlm_lockDLMには11のパラメータがあります。)

その他の DLM 実装には次のものがあります。

• Googleは疎結合分散システム用のロックサービスであるChubbyを開発した。 ^[5]これは粗粒度のロック用に設計されており、制限はあるものの信頼性の高い分散ファイルシステムも提供する。Google File System、Bigtable、MapReduceなど、Googleのインフラストラクチャの主要部分は、共有リソースへのアクセスを同期するためにChubbyを使用している。Chubbyはロックサービスとして設計されたが、現在ではDNSに代わるネームサーバーとしてGoogle社内で頻繁に使用されている。^[5]
• Yahooで開発されたApache ZooKeeperはオープンソースソフトウェアであり、分散ロック^[6]を実行するためにも使用できます。
• Etcdはオープンソースソフトウェアであり、CoreOSでApacheライセンスの下で開発されています。^[7] 分散ロックを実行するためにも使用できます。^[8]
• Redisはオープンソースで、Redis Source Available Licenseライセンスの高度なキーバリューキャッシュとストアです。^[9] Redisは分散ロック管理のためのRedlockアルゴリズムを実装するために使用できます。^[10]
• HashiCorpによって開発されたHashiCorpのConsul ^[11]はオープンソースソフトウェアであり、分散ロックを実行するためにも使用できます。
• Taooka分散ロックマネージャ^[12]は、デッドロックを回避するために「try lock」メソッドを使用します。また、ナノ秒の精度で各ロックのTTLを指定することもできます。
• DLM は、 OpenSSIなどのより野心的な単一システム イメージ(SSI) プロジェクトの重要なコンポーネントでもあります。