数据库第十一章并发控制.ppt
2023/10/14,数据库系统原理,1,多事务的执行,串行执行,交叉并发执行,同时并发执行,2023/10/14,数据库系统原理,2,多事务的执行,串行执行,交叉并发执行,同时并发执行,每个时刻只有一个事务运行，其他事务必须等到 这个事务结束以后方能运行,不能充分利用系统资源，发挥数据库共享资源的 特点,2023/10/14,数据库系统原理,3,多事务的执行,串行执行,交叉并发执行,同时并发执行,一些并行事务的并行操作轮流交叉运行,单处理机系统中的并发方式，能够减少处理机的 空闲时间，提高系统的效率,2023/10/14,数据库系统原理,4,多事务的执行,串行执行,交叉并发执行,同时并发执行,多处理机系统，每个处理机可以运行一个事务，多个处理机可以同时运行多个事务，实现多个 事务真正的并行运行,最理想的并发方式，但受制于硬件环境,更复杂的并发方式机制,2023/10/14,数据库系统原理,5,事务并发执行带来的问题,可能会读取和存储不正确的数据，破坏事务的隔离性 和数据库的一致性,DBMS必须提供并发控制机制,并发控制机制是衡量一个DBMS性能的重要标志之一,2023/10/14,数据库系统原理,6,第十一章 并发控制 11.1 并发控制概述 11.2 封锁 11.3 活锁和死锁 11.4 数据并发调度的可串行性 11.5 两段锁协议 11.6 封锁粒度 11.7 小结,2023/10/14,数据库系统原理,7,11.1 并发控制概述,并发控制机制的任务,对并发操作进行正确调度,保证事务的隔离性,保证数据库的一致性,2023/10/14,数据库系统原理,8,并发控制概述,数据不一致实例：飞机订票系统,T1的修改被T2覆盖了！,2023/10/14,数据库系统原理,9,并发控制概述,并发操作带来的数据不一致性,1、丢失修改（lost update）,2、不可重复读（non-repeatable read）,3、读“脏”数据（dirty read）,2023/10/14,数据库系统原理,10,并发控制概述,并发操作带来的数据不一致性,1、丢失修改（lost update）,2、不可重复读（non-repeatable read）,3、读“脏”数据（dirty read）,指事务1与事务2从数据库中读入同一数据并修改，事务2的提交结果破坏了事务1提交的结果，导致事务1的修改被丢失。,2023/10/14,数据库系统原理,11,并发控制概述,并发操作带来的数据不一致性,1、丢失修改（lost update）,2、不可重复读（non-repeatable read）,3、读“脏”数据（dirty read）,指事务1读取数据后，事务2执行更新操作，使事务1无法再现前一次读取结果。,2023/10/14,数据库系统原理,12,指事务1修改某一数据，并将其写回磁盘，事务2读取同一数据后，事务1由于某种原因被撤消，这时事务1已修改过的数据恢复原值，事务2读到的数据就与数据库中的数据不一致，是不正确的数据，又称为“脏”数据。,并发控制概述,并发操作带来的数据不一致性,1、丢失修改（lost update）,2、不可重复读（non-repeatable read）,3、读“脏”数据（dirty read）,2023/10/14,数据库系统原理,13,三类不可重复读,事务1读取某一数据后：1）事务2对其做了修改，当事务1再次读该数据时，得到 与前一次不同的值。2）事务2删除了其中部分记录，当事务1再次读取数据时，发现某些记录神密地消失了。3）事务2插入了一些记录，当事务1再次按相同条件读取 数据时，发现多了一些记录。后两种不可重复读有时也称为幻影现象（phantom row）,2023/10/14,数据库系统原理,14,11.2 封锁,一、什么是封锁二、基本封锁类型三、基本锁的相容矩阵,2023/10/14,数据库系统原理,15,一、什么是封锁,封锁就是事务T在对某个数据对象（例如表、记录等）操作之前，先向系统发出请求，对其加锁,加锁后事务T就对该数据对象有了一定的控制，在事务 T释放它的锁之前，其它的事务不能更新此数据对象,封锁是实现并发控制的一个非常重要的技术,2023/10/14,数据库系统原理,16,二、基本封锁类型,DBMS通常提供了多种类型的封锁。一个事务对某个 数据对象加锁后究竟拥有什么样的控制是由封锁的 类型决定的,基本封锁类型,排它锁（Exclusive lock，简记为X锁）,共享锁（Share lock，简记为S锁）,2023/10/14,数据库系统原理,17,二、基本封锁类型,DBMS通常提供了多种类型的封锁。一个事务对某个 数据对象加锁后究竟拥有什么样的控制是由封锁的 类型决定的,共享锁（Share lock，简记为S锁）,排它锁又称为写锁若事务T对数据对象A加上X锁，则只允许T读取和修改A，其它任何事务不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁,基本封锁类型,排它锁（Exclusive lock，简记为X锁）,2023/10/14,数据库系统原理,18,共享锁又称为读锁若事务T对数据对象A加S锁，则事务T可以读取A但不能修改A，其它事务只能再对A加S锁，而不能加X锁，直到T释放A上的S锁,二、基本封锁类型,DBMS通常提供了多种类型的封锁。一个事务对某个 数据对象加锁后究竟拥有什么样的控制是由封锁的 类型决定的,共享锁（Share lock，简记为S锁）,基本封锁类型,排它锁（Exclusive lock，简记为X锁）,2023/10/14,数据库系统原理,19,三、基本锁的相容矩阵,Y=Yes，相容的请求N=No，不相容的请求,2023/10/14,数据库系统原理,20,在运用X锁和S锁对数据对象加锁时，需要约定一些 规则：封锁协议（Locking Protocol）,何时申请X锁或S锁,持锁时间、何时释放,不同的封锁协议，在不同的程度上为并发操作的正确 调度提供一定的保证,常用的封锁协议：三级封锁协议,四、封锁协议,2023/10/14,数据库系统原理,21,四、封锁协议,事务T在修改数据R之前必须先对其加X锁，直到事务 结束才释放,一级封锁协议可防止丢失修改,正常结束（COMMIT）,非正常结束（ROLLBACK）,在一级封锁协议中，如果是读数据，不需要加锁的，所以它不能保证可重复读和不读“脏”数据。,1、一级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,22,四、封锁协议,没有丢失修改,1、一级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,23,四、封锁协议,读“脏”数据,1、一级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,24,四、封锁协议,不可重复读,1、一级封锁协议,2023/10/14,数据库系统原理,25,四、封锁协议,一级封锁协议+事务T在读取数据R前必须先加S锁，读完后即可释放S锁,二级封锁协议可以防止丢失修改和读“脏”数据,在二级封锁协议中，由于读完数据后即可释放S锁，所以它不能保证可重复读。,2、二级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,26,四、封锁协议,不可重复读,2、二级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,27,四、封锁协议,一级封锁协议+事务T在读取数据R之前必须先对其 加S锁，直到事务结束才释放,三级封锁协议可防止丢失修改、读脏数据和不可重复读,3、三级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,28,四、封锁协议,可重复读,3、三级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,29,四、封锁协议,不读“脏”数据,3、三级封锁协议,2023/10/14,数据库系统概论,30,四、封锁协议,三级协议的主要区别,什么操作需要申请封锁,何时释放锁（即持锁时间）,2023/10/14,数据库系统原理,31,11.3 活锁和死锁,活锁,死锁,封锁技术可以有效地解决并行操作的一致性问题，但也带来一些新的问题,2023/10/14,数据库系统原理,32,11.3.1 活锁,2023/10/14,数据库系统原理,33,11.3.1 活锁,如何避免活锁,采用先来先服务的策略：当多个事务请求封锁同一数据对象时,按请求封锁的先后次序对这些事务排队,该数据对象上的锁一旦释放，首先批准申请队列中 第一个事务获得锁。,2023/10/14,数据库系统概论,34,11.3.2 死锁,2023/10/14,数据库系统概论,35,11.3.2 死锁,解决死锁的方法,预防死锁,死锁的诊断与解除,2023/10/14,数据库系统原理,36,1、死锁的预防,产生死锁的原因是两个或多个事务都已封锁了一些数据 对象，然后又都请求对已经被其他事务封锁的数据对象 加锁，从而出现死等待。,预防死锁的发生就是要破坏产生死锁的条件,预防死锁的方法,一次封锁法,顺序封锁法,2023/10/14,数据库系统原理,37,解决方法：将事务在执行过程中可能要封锁的 数据对象全部加锁，进一步降低了并发度,1、死锁的预防,(1)一次封锁法,要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁，否则就不能继续执行,一次封锁法存在的问题：,扩大了封锁的范围，降低了并发度,难于事先精确确定封锁对象,数据库中数据是不断变化的，原来不要求封锁 的数据，在执行过程中可能会变成封锁对象,2023/10/14,数据库系统概论,38,1、死锁的预防,(2)顺序封锁法,顺序封锁法是预先对数据对象规定一个封锁顺序，所有事务都按这个顺序实行封锁,顺序封锁法存在的问题,维护成本高,难于实现,数据库系统中可封锁的数据对象极其众多，并且随数据的插入、删除等操作而不断地变化，要维护这极多且变化的资源的封锁顺序非常困难，成本很高,事务的封锁请求可以随着事务的执行而动态地决定，很难事先确定每一个事务要封锁哪些对象，因此也就很难按规定的顺序去施加封锁,例：规定数据对象的封锁顺序为A,B,C,D,E。事务T3起初要求封锁数据对象B,C,E，但当它封锁了B,C后，发现还需要封锁A，这样就破坏了封锁顺序,2023/10/14,数据库系统概论,39,1、死锁的预防,结论,DBMS在解决死锁的问题上更普遍采用的是诊断并 解除死锁的方法,在操作系统中广为采用的预防死锁的策略并不很适 合数据库的特点,2023/10/14,数据库系统概论,40,2、死锁的诊断与解除,允许死锁发生,由DBMS的并发控制子系统定期检测系统中是否 存在死锁,解除死锁,一旦检测到死锁，就要设法解除,超时法,检测死锁,等待图法,2023/10/14,数据库系统原理,41,2、死锁的诊断与解除,检测死锁：超时法,如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，就 认为发生了死锁,优点：实现简单,缺点：,有可能误判死锁,时限若设置得太长，死锁发生后不能及时发现,2023/10/14,数据库系统概论,42,并发控制子系统周期性地（比如每隔1 min）检测 事务等待图，如果发现图中存在回路，则表示系统 中出现了死锁。,2、死锁的诊断与解除,检测死锁：等待图法,用事务等待图动态反映所有事务的等待情况,事务等待图是一个有向图G=(T，U),T为结点的集合，每个结点表示正运行的事务,U为边的集合，每条边表示事务等待的情况,若T1等待T2，则T1，T2之间划一条有向边，从T1指向T2,2023/10/14,数据库系统概论,43,2、死锁的诊断与解除,解除死锁的方法：,选择一个处理死锁代价最小的事务，将其撤消，释放此事务持有的所有的锁，使其它事务能继续运行下去。,2023/10/14,数据库系统原理,44,11.4 并发调度的可串行性,一、什么样的并发操作调度是正确的二、如何保证并发操作的调度是正确的,2023/10/14,数据库系统原理,45,一、什么样的并发操作调度是正确的,计算机系统对并行事务中并行操作的调度是随机的，而不同的调度可能会产生不同的结果。,将所有事务串行起来的调度策略一定是正确的调度策略,如果一个事务运行过程中没有其他事务在同时运行，也就是说它没有受到其他事务的干扰，那么就可以 认为该事务的运行结果是正常的或者预想的,2023/10/14,数据库系统概论,46,一、什么样的并发操作调度是正确的,以不同的顺序串行执行事务也可能会产生不同的结果，但由于不会将数据库置于不一致状态，所以都可以认为 是正确的,几个事务的并行执行是正确的，当且仅当其结果与按 某一次序串行地执行它们时的结果相同。这种并行调度策略称为可串行化(Serializable)的调度,可串行性是并行事务正确性的唯一准则,2023/10/14,数据库系统原理,47,一、什么样的并发操作调度是正确的,例：现在有两个事务，分别包含下列操作：事务1：读B；A=B+1；写回A；事务2：读A；B=A+1；写回B；假设A的初值为2，B的初值为2。,对这两个事务的不同调度策略,串行执行,交错执行,2023/10/14,数据库系统概论,48,一、什么样的并发操作调度是正确的,串行调度策略1,正确的调度,2023/10/14,数据库系统概论,49,一、什么样的并发操作调度是正确的,串行调度策略2,正确的调度,2023/10/14,数据库系统概论,50,一、什么样的并发操作调度是正确的,不可串行化的调度,由于其执行结果与串行调度策略1、2的结果都不同，所以是错误的调度。,2023/10/14,数据库系统概论,51,一、什么样的并发操作调度是正确的,可串行化的调度,由于其执行结果与串行调度策略1的执行结果都相同，所以是正确的调度。,2023/10/14,数据库系统原理,52,二、如何保证并发操作的调度是正确的,为了保证并行操作的正确性，DBMS的并行控制机制 必须提供一定的手段来保证调度是可串行化的。,从理论上讲，在某一事务执行时禁止其他事务执行的 调度策略一定是可串行化的调度，这也是最简单的调度 策略，但这种方法实际上是不可行的，因为它使用户 不能充分共享数据库资源。,2023/10/14,数据库系统概论,53,二、如何保证并发操作的调度是正确的,保证并发操作调度正确性的方法,封锁方法：两段锁协议（Two-Phase Locking，简称2PL）,时标方法,乐观方法,2023/10/14,数据库系统原理,54,第二阶段是释放封锁，也称为收缩阶段,11.5 两段锁协议,两段锁协议的内容,在对任何数据进行读、写操作之前，事务首先要 获得对该数据的封锁,在释放一个封锁之后，事务不再获得任何其他封锁,“两段”锁的含义,事务分为两个阶段,第一阶段是获得封锁，也称为扩展阶段,2023/10/14,数据库系统原理,55,两段锁协议,例：事务1的封锁序列：Slock A.Slock B.Xlock C.Unlock B.Unlock A.Unlock C；事务2的封锁序列：Slock A.Unlock A.Slock B.Xlock C.Unlock C.Unlock B；事务1遵守两段锁协议，而事务2不遵守两段协议。,2023/10/14,数据库系统原理,56,两段锁协议,并发执行的所有事务均遵守两段锁协议，则对这些事务 的所有并行调度策略都是可串行化的。,所有遵守两段锁协议的事务，其并发执行的结果一定 是正确的,事务遵守两段锁协议是可串行化调度的充分条件，而不是必要条件。,可串行化的调度中，不一定所有事务都必须符合 两段锁协议。,2023/10/14,数据库系统原理,57,两段锁协议,(a)遵守两段锁协议,(b)不遵守两段锁协议,(c)不遵守两段锁协议,2023/10/14,数据库系统原理,58,两段锁协议,两段锁协议与防止死锁的一次封锁法,一次封锁法要求每个事务必须一次将所有要使用的 数据全部加锁，否则就不能继续执行，因此一次 封锁法遵守两段锁协议,但是两段锁协议并不要求事务必须一次将所有要 使用的数据全部加锁，因此遵守两段锁协议的事务 可能发生死锁,2023/10/14,数据库系统原理,59,两段锁协议,遵守两段锁协议的事务发生死锁,2023/10/14,数据库系统原理,60,两段锁协议,两段锁协议与三级封锁协议,两类不同目的的协议,遵守第三级封锁协议必然遵守两段锁协议,两段锁协议保证并发调度的正确性,三级封锁协议在不同程度上保证数据一致性,2023/10/14,数据库系统原理,61,11.6 封锁的粒度,11.6.1 封锁粒度11.6.2 多粒度封锁11.6.3 意向锁,2023/10/14,数据库系统原理,62,11.6.1 封锁粒度,一、什么是封锁粒度二、选择封锁粒度的原则,2023/10/14,数据库系统原理,63,一、什么是封锁粒度,X锁和S锁都是加在某一个数据对象上的封锁的对象：逻辑单元，物理单元 例：在关系数据库中，封锁对象：逻辑单元：属性值、属性值集合、元组、关系、索引项、整个索引、整个数据库等物理单元：页（数据页或索引页）、物理记录等,2023/10/14,数据库系统原理,64,一、什么是封锁粒度,封锁对象可以很大也可以很小 例：对整个数据库加锁 对某个属性值加锁封锁对象的大小称为封锁的粒度(Granularity)多粒度封锁(multiple granularity locking)在一个系统中同时支持多种封锁粒度供不同的事务 选择,2023/10/14,数据库系统原理,65,二、选择封锁粒度的原则,封锁的粒度越 大，小，系统被封锁的对象 少，多，并发度 小，高，系统开销 小，大，选择封锁粒度：考虑封锁开销和并发度两个因素对系统开销与并发度进行权衡,2023/10/14,数据库系统原理,66,二、选择封锁粒度的原则,需要处理多个关系的大量元组的用户事务：以数据库 为封锁单位需要处理大量元组的用户事务：以关系为封锁单元只处理少量元组的用户事务：以元组为封锁单位,2023/10/14,数据库系统原理,67,11.6.2 多粒度封锁,多粒度树以树形结构来表示多级封锁粒度根结点是整个数据库，表示最大的数据粒度叶结点表示最小的数据粒度例：三级粒度树。根结点为数据库，数据库的子结点为关系，关系的子结点为元组。,2023/10/14,数据库系统原理,68,11.6.2 多粒度封锁,多粒度封锁协议允许多粒度树中的每个结点被独立地加锁对一个结点加锁意味着这个结点的所有后裔结点也 被加以同样类型的锁多粒度封锁中一个数据对象可能以两种方式封锁：显式封锁和隐式封锁,2023/10/14,数据库系统原理,69,11.6.2 多粒度封锁,对某个数据对象加锁时系统检查的内容该数据对象：有无显式封锁与之冲突所有上级结点：检查本事务的显式封锁是否与该 数据对象上的隐式封锁冲突(由上级结点封锁造成）所有下级结点：看上面的显式封锁是否与本事务的 隐式封锁冲突（将加到下级结点的封锁）,2023/10/14,数据库系统原理,70,11.6.3 意向锁,引进意向锁(intention lock)目的提高对某个数据对象加锁时系统的检查效率什么是意向锁对任一结点加基本锁，必须先对它的上层结点加 意向锁 如果对一个结点加意向锁，则说明该结点的下层 结点正在被加锁,2023/10/14,数据库系统原理,71,11.6.3 意向锁,例：对任一元组 r 加锁，先对关系R加意向锁事务T要对关系R加X锁，系统只要检查根结点数据库 和关系R是否已加了不相容的锁不需要搜索和检查R中的每一个元组是否加了X锁,2023/10/14,数据库系统原理,72,11.6.3 意向锁,常用意向锁(intention lock)意向共享锁(Intent Share Lock，简称IS锁)意向排它锁(Intent Exclusive Lock，简称IX锁)共享意向排它锁(Share Intent Exclusive Lock，简称SIX锁),2023/10/14,数据库系统原理,73,IS锁如果对一个数据对象加IS锁，表示它的后裔结点拟（意向）加S锁。例：要对某个元组加S锁，则要首先对关系和数据库 加IS锁IX锁如果对一个数据对象加IX锁，表示它的后裔结点拟（意向）加X锁。例：要对某个元组加X锁，则要首先对关系和数据库 加IX锁。,11.6.3 意向锁,2023/10/14,数据库系统原理,74,11.6.3 意向锁,SIX锁如果对一个数据对象加SIX锁，表示对它加S锁，再加IX锁，即SIX=S+IX。例：对某个表加SIX锁，则表示该事务要读整个表（所以要对该表加S锁），同时会更新个别元组（所以要对该表加IX锁）。,2023/10/14,数据库系统原理,75,11.6.3 意向锁,意向锁的相容矩阵,2023/10/14,数据库系统原理,76,11.6.3 意向锁,锁的强度锁的强度是指它对其他锁的排斥程度一个事务在申请封锁时以强锁代替弱锁是安全的，反之则不然,2023/10/14,数据库系统原理,77,11.6.3 意向锁,具有意向锁的多粒度封锁方法申请封锁时应该按自上而下的次序进行释放封锁时则应该按自下而上的次序进行例：事务T要对一个数据对象加锁，必须先对它的上层结点 加意向锁,2023/10/14,数据库系统原理,78,11.7 小结,数据共享与数据一致性是一对矛盾数据库的价值在很大程度上取决于它所能提供的数据 共享度数据共享在很大程度上取决于系统允许对数据并发 操作的程度数据并发程度又取决于数据库中的并发控制机制另一方面，数据的一致性也取决于并发控制的程度 施加的并发控制愈多，数据的一致性往往愈好,2023/10/14,数据库系统原理,79,小结,数据库的并发控制以事务为单位数据库的并发控制通常使用封锁机制两类最常用的封锁不同级别的封锁协议提供不同的数据一致性保证，提供不同的数据共享度三级封锁协议并发控制机制调度并发事务操作是否正确的判别准则 是可串行性并发操作的正确性则通常由两段锁协议来保证。两段锁协议是可串行化调度的充分条件，但不是 必要条件,2023/10/14,数据库系统原理,80,小结,对数据对象施加封锁，带来问题活锁：先来先服务死锁预防方法：一次封锁法、顺序封锁法诊断与解除：超时法、等待图法不同的数据库管理系统提供的封锁类型、封锁协议、达到的系统一致性级别不尽相同。但是其依据的基本 原理和技术是共同的。,
