第9章 事務調度與并發(fā)控制
9.1事務與事務調度
9.1.1 事務的概念
1、 事務是構成數(shù)據(jù)庫應用中一個獨立邏輯工作單元的操作的集合，也是訪問并可能更新數(shù)據(jù)庫中各種數(shù)據(jù)項的一個程序執(zhí)行單元。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過執(zhí)行各種事務實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的操作，管理和執(zhí)行事務是DBMS的基本功能。
9.1.2 事務的特性(ACID特性)
1、原子性(Atomicity)
一個事務對數(shù)據(jù)庫的所有操作是一個不可分割的工作單元，這些操作要么全部執(zhí)行，要么一個也不執(zhí)行。
2、 一致性(Consistency)
當一個事務獨立執(zhí)行時，其執(zhí)行結果應維護數(shù)據(jù)庫的一致性，即數(shù)據(jù)庫不會因事務執(zhí)行而受到破壞。數(shù)據(jù)庫滿足全部完整性約束，處于正確的狀態(tài);
3、 隔離性(Isolation)
當多個事務并發(fā)執(zhí)行時，系統(tǒng)應保證一個事務的執(zhí)行結果不受其他事務的干擾，事務并發(fā)執(zhí)行結果與這些事務串行執(zhí)行時的結果是一樣的;
4、 持久性(Durability)
一個事務一旦成功完成全部操作，則它對數(shù)據(jù)庫的所有更新就永久地反映在數(shù)據(jù)庫中，即使以后數(shù)據(jù)庫發(fā)生了故障;
9.1.3 事務調度
1、 一個事務中各操作的執(zhí)行順序和執(zhí)行時機一方面取決于事務自身內部邏輯，另一方面也受DBMS中事務調度機制的控制。當多個事務并發(fā)執(zhí)行時，DBMS必須采用合適的并發(fā)調度機制合理安排各個事務執(zhí)行順序，以保證事務的ACID特性。
2、 調度分為串行調度和并發(fā)調度，串行調度的特點是一個事務的所有操作都執(zhí)行完后才開始執(zhí)行另一事務，不存在事務操作的交叉執(zhí)行;不同事務操作的交叉執(zhí)行稱為并發(fā)調度，DBMS交叉執(zhí)行來自多個事務的各個操作，以提高數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的性能。
9.1.4 可串行化調度
1、 事務的串行調度能夠產生正確的結果，但執(zhí)行效率低，如果并發(fā)調度S等價于某一定義在TS上的串行調度，那么S稱為可串行化調度;
2、 給定兩個定義在事務集TS上的的調度S和S’，如果可以通過交換S中一系列非沖突操作的執(zhí)行順序將S轉換為S’，則稱S與S’是沖突等價。
3、 如果定義在事務TS上的并發(fā)調度S沖突等價于事務集TS上的某個串行調度S’，則稱S是沖突可串行的。
4、 在引入沖突可串行概念后，判斷一個并發(fā)調度是否正確可以歸結為判斷該調度是否沖突可串行的。
9.2 基于鎖的并發(fā)控制技術
9.2.1 鎖的概念
1、 對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中每個可能被多個事務并發(fā)訪問的數(shù)據(jù)項設置鎖，鎖代表了對該數(shù)據(jù)項的訪問權限。即事務T在訪問數(shù)據(jù)項Q前須向DBMS申請獲得設置在Q上的鎖，如成功，則T獲得對Q的訪問權，T對Q操作完成后，釋放所占用的鎖，允許其他事務獲得該鎖并訪問Q，在T釋放設置在Q上的鎖前，其他事務不能訪問Q。
2、 鎖的類型有兩種：
(1) 互斥鎖(X鎖)：若T獲得Q上的X鎖，則T可以對Q讀寫，其他事務不能再對Q進行任何操作，直到T釋放Q上的鎖;
(2) 共享鎖(S鎖)：若T獲得Q上的S鎖，則T可以對Q進行讀取操作，但不可以修改，同時，允許其他事務再申請獲得Q上的S鎖，與T并行讀取Q，但在T釋放Q上的S鎖前，其他事務不能對Q做任何修改;
9.2.2 加鎖協(xié)議
1、 保證數(shù)據(jù)一致性的三級加鎖協(xié)議：
(1) 1級加鎖協(xié)議要求事務T在修改數(shù)據(jù)項Q之前必須先對Q加X鎖，直到事務結束才釋放，事務結束包括正常結束和非正常結束，但事務如果只對Q讀而不寫，則不需對Q加鎖;
(2) 2級加鎖協(xié)議是在1級加鎖協(xié)議基礎上，要求T在讀取Q前必須先對其加S鎖，讀完后立即釋放S鎖;
(3) 3級加鎖協(xié)議是在1級加鎖協(xié)議基礎上，要求在讀取Q前必須先對其加S鎖，但需等到事務結束后才釋放S鎖。
9.2.3 兩階段鎖協(xié)議
1、 兩階段鎖(2PL)基本原理如下：
(1) 每個事務的執(zhí)行過程劃分為兩個階段，加鎖階段和解鎖階段;
(2) 在加鎖階段，事務可以申請獲得任何數(shù)據(jù)項上的任何類型的鎖，但是不允許釋放任何鎖;
(3) 在解鎖階段，事務可以釋放任何數(shù)據(jù)上的任何類型的鎖，但是不能再申請任何的鎖;
(4) 每個事務開始執(zhí)行后就進入加鎖階段，當?shù)谝淮吾尫沛i后，即進入解鎖階段。
9.2.4 鎖粒度
1、 施加X鎖和S鎖的數(shù)據(jù)項大小稱為鎖粒度。
2、 鎖粒度越大，系統(tǒng)中可以被鎖的數(shù)據(jù)項就越少，事務的并發(fā)執(zhí)行度也越低，但同時系統(tǒng)的開銷也小，相反，當鎖粒度越小時，事務的并發(fā)度高，但系統(tǒng)開銷也較大;
9.3 死鎖處理
9.3.1 死鎖預防
1、 一次加鎖法
該方法要求每個事務在開始時必須將需要訪問的數(shù)據(jù)項全部加鎖，否則不能執(zhí)行下去，也就是要求事務必須一次性地獲得對需要訪問的全部數(shù)據(jù)項的訪問權;
該方法的缺點是：
(1) 多個數(shù)據(jù)項會被一個事務長期鎖定獨占，導致其他事務無法及時訪問這些數(shù)據(jù)項，降低了系統(tǒng)的并發(fā)程度;
(2) 由于很難事先精確知道每個事務在執(zhí)行過程中需要加鎖的全部數(shù)據(jù)項，只能擴大加鎖范圍，將事務執(zhí)行時可能訪問的所有數(shù)據(jù)項全部加鎖，進一步降低了系統(tǒng)的并發(fā)程度;
2、 順序加鎖法
該方法對數(shù)據(jù)庫中事務訪問的所有數(shù)據(jù)項規(guī)定一個加鎖順序，每個事務在執(zhí)行過程中必須按此順序對所需數(shù)據(jù)加鎖;
該方法的缺點：
(1) 數(shù)據(jù)庫中需要加鎖的數(shù)據(jù)項非常多，并且不斷變化，維護這些數(shù)據(jù)項的加鎖順序很困難，代價非常大;
(2) 事務訪問的數(shù)據(jù)項有時無法事先完全確定，有時很難要求事務按照固定的順序對這些數(shù)據(jù)項進行加鎖;
9.3.2 死鎖檢測與恢復
1、 死鎖檢測
(1) 可以利用事務等待圖進行死鎖檢測，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)出現(xiàn)死鎖當且僅當事務等待圖中包含回路，而且回路中的所有事務就是處于死鎖的事務;
(2) 數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制子系統(tǒng)動態(tài)地構造和維護事務等待圖，并周期地檢測等待圖，如圖中有回路，則說明系統(tǒng)中出現(xiàn)了死鎖;
2、死鎖恢復
(1) 當發(fā)現(xiàn)死鎖存在時，系統(tǒng)可以通過死鎖恢復機制將系統(tǒng)從死鎖中解救出來，通常是選取一個或幾個死鎖事務，撤消這些事務，釋放其所有的鎖，消除事務等待圖中的回路，從而解決了系統(tǒng)死鎖問題;
(2) 如果決定撤消哪個事務或哪些事務，有兩個原則：
A、 選擇處于最多條回路交點處的事務;
B、 選擇具有最少撤消代價的事務。
9.4 活鎖處理
1、如果一個事務在系統(tǒng)不存在死鎖的情況下，長期得不到DBMS的獲批，處于長時間等待中的情況叫活鎖，為了避免活鎖，DBMS可采用先來先服務的原則解決。