資料庫，資料庫學習

資料庫，資料庫學習
並發控制機制的任務

對並行作業進行正確調度
保證事務的隔離性
保證資料庫的一致性

多使用者資料庫系統的存在
允許多個使用者同時使用的資料庫系統
飛機定票資料庫系統
銀行資料庫系統
特點：在同一時刻並發啟動並執行事務數可達數百個
不同的多事務執行方式
(1)事務串列執行
每個時刻只有一個事務運行，其他事務必須等到這個事務結束以後方能運行
不能充分利用系統資源，發揮資料庫共用資源的特點

(2)交叉並發方式（Interleaved Concurrency）
在單處理機系統中，事務的並存執行是這些並行事務的並行操作輪流交叉運行
單處理機系統中的並行事務並沒有真正地並行運行，但能夠減少處理機的空閑時間，提高系統的效率

(3)同時並發方式（simultaneous concurrency）
多處理機系統中，每個處理機可以運行一個事務，多個處理機可以同時運行多個事務，實現多個事務真正的並行運行

事務並發執行帶來的問題
會產生多個事務同時存取同一資料的情況
可能會存取不正確的資料，破壞事務的一致性和資料庫的一致性

並行作業帶來資料的不一致性執行個體[例1]飛機訂票系統中的一個活動序列 ① 甲售票點(甲事務)讀出某航班的機票餘額A，設A=16；② 乙售票點(乙事務)讀出同一航班的機票餘額A，也為16；③ 甲售票點賣出一張機票，修改餘額A←A-1，所以A為15，把A寫回資料庫；④ 乙售票點也賣出一張機票，修改餘額A←A-1，所以A為15，把A寫回資料庫 結果明明賣出兩張機票，資料庫中機票餘額只減少1 這種情況稱為資料庫的不一致性，是由並行作業引起的。在並行作業情況下，對甲、乙兩個事務的操作序列的調度是隨機的。若按上面的調度序列執行，甲事務的修改就被丟失。原因：第4步中乙事務修改A並寫回後覆蓋了甲事務的修改並行作業帶來的資料不一致性(不正確性)丟失修改（Lost Update）不可重複讀取（Non-repeatable Read）讀“髒”資料（Dirty Read）記號R(x):讀資料xW(x):寫資料x 兩個事務T1和T2讀入同一資料並修改，T2的提交結果破壞了T1提交的結果，導致T1的修改被丟失。上面飛機訂票例子就屬此類 

不可重複讀取是指事務T1讀取資料後，事務T2    執行更新操作，使T1無法再現前一次讀取結果。不可重複讀取包括三種情況：(1)事務T1讀取某一資料後，事務T2對其做了修改，當事務T1再次讀該資料時，得到與前一次不同的值 

不可重複讀取

(2)事務T1按一定條件從資料庫中讀取了某些資料記錄後，事務T2刪除了其中部分記錄，當T1再次按相同條件讀取資料時，發現某些記錄消失了
(3)事務T1按一定條件從資料庫中讀取某些資料記錄後，事務T2插入了一些記錄，當T1再次按相同條件讀取資料時，發現多了一些記錄。
後兩種不可重複讀取有時也稱為幻影現象（Phantom Row）

讀“髒”資料

讀“髒”資料是指：
事務T1修改某一資料，並將其寫回磁碟
事務T2讀取同一資料後，T1由於某種原因被撤銷
這時T1已修改過的資料恢複原值，T2讀到的資料就與資料庫中的資料不一致
T2讀到的資料就為“髒”資料，即不正確的資料
資料不一致性：由於並行作業破壞了事務的隔離性
並發控制就是要用正確的方式調度並行作業，使一個使用者事務的執行不受其他事務的幹擾，從而避免造成資料的不一致性

並發控制的主要技術
封鎖(Locking)
時間戳記(Timestamp)
樂觀控製法
商用的DBMS一般都採用封鎖方法

封鎖(Locking)

並發控制的主要技術
封鎖(Locking)
時間戳記(Timestamp)
樂觀控製法
商用的DBMS一般都採用封鎖方法

一個事務對某個資料對象加鎖後究竟擁有什麼樣的控制由封鎖的類型決定。
基本封鎖類型
排它鎖（eXclusive Locks，簡記為X鎖）
共用鎖定（Share Locks，簡記為S鎖）

排它鎖又稱為寫鎖
若事務T對資料對象A加上X鎖，則只允許T讀取和修改A，其它任何事務都不能再對A加任何類型的鎖，直到T釋放A上的鎖
保證其他事務在T釋放A上的鎖之前不能再讀取和修改A

共用鎖定又稱為讀鎖
若事務T對資料對象A加上S鎖，則其它事務只能再對A加S鎖，而不能加X鎖，直到T釋放A上的S鎖
保證其他事務可以讀A，但在T釋放A上的S鎖之前不能對A做任何修改

在鎖的相容矩陣中：
最左邊一列表示事務T1已經獲得的資料對象上的鎖的類型，其中橫線表示沒有加鎖。
最上面一行表示另一事務T2對同一資料對象發出的封鎖請求。
T2的封鎖請求能否被滿足用矩陣中的Y和N表示
Y表示事務T2的封鎖要求與T1已持有的鎖相容，封鎖請求可以滿足
N表示T2的封鎖請求與T1已持有的鎖衝突，T2的請求被拒絕

活鎖和死結

封鎖技術可以有效地解決並行操作的一致性問題，但也帶來一些新的問題
死結

事務T1封鎖了資料R1T2封鎖了資料R2T1又請求封鎖R2，因T2已封鎖了R2，於是T1等待T2釋放R2上的鎖接著T2又申請封鎖R1，因T1已封鎖了R1，T2也只能等待T1釋放R1上的鎖這樣T1在等待T2，而T2又在等待T1，T1和T2兩個事務永遠不能結束，形成死結 

兩類方法
1. 預防死結
2. 死結的診斷與解除

活鎖

事務T1封鎖了資料R事務T2又請求封鎖R，於是T2等待。T3也請求封鎖R，當T1釋放了R上的封鎖之後系統首先批准了T3的請求，T2仍然等待。T4又請求封鎖R，當T3釋放了R上的封鎖之後系統又批准了T4的請求……T2有可能永遠等待，這就是活鎖的情形 

避免活鎖：採用先來先服務的策略
當多個事務請求封鎖同一資料對象時
按請求封鎖的先後次序對這些事務排隊
該資料對象上的鎖一旦釋放，首先批准申請隊列中第一個事務獲得鎖

死結的預防

產生死結的原因是兩個或多個事務都已封鎖了一些資料對象，然後又都請求對已為其他事務封鎖的資料對象加鎖，從而出現死等待。
預防死結的發生就是要破壞產生死結的條件
預防死結的方法
一次封鎖法
順序封鎖法

要求每個事務必須一次將所有要使用的資料全部加鎖，否則就不能繼續執行
存在的問題
降低系統並發度
難於事先精確確定封鎖對象

順序封鎖法是預先對資料對象規定一個封鎖順序，按順序編號，所有事務都按這個編號順序申請封鎖。
順序封鎖法存在的問題
維護成本
資料庫系統中封鎖的資料對象極多，並且在不斷地變化。
難以實現：很難事先確定每一個事務要封鎖哪些對象
結論
在作業系統中廣為採用的預防死結的策略並不很適合資料庫的特點
DBMS在解決死結的問題上更普遍採用的是診斷並解除死結的方法

死結的診斷
逾時法

如果一個事務的等待時間超過了規定的時限，就認為發生了死結優點：實現簡單缺點有可能誤判死結時限若設定得太長，死結發生後不能及時發現

事務等待圖法

用事務等待圖動態反映所有事務的等待情況事務等待圖是一個有向圖G=(T，U)T為結點的集合，每個結點表示正啟動並執行事務U為邊的集合，每條邊表示事務等待的情況若T1等待T2，則T1，T2之間劃一條有向邊，從T1指向T2

並發控制子系統周期性地（比如每隔數秒）產生事務等待圖，檢測事務。如果發現圖中存在迴路，則表示系統中出現了死結。