数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystem并发控制.ppt

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1、数据库系统概论AnIntroductiontoDatabaseSystem并发控制 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望问题的产生问题的产生v多用户数据库系统的存在 允许多个用户同时使用的数据库系统n飞机定票数据库系统n银行数据库系统 特点：在同一时刻并发运行的事务数可达数百个 An Introduction to Database System问题的产生（续）问题的产生（续）v不同的多事务执行方式 (1)事务串行执行每个时刻只有一个事务运行，其他事务必

2、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T1T2T3事务的串行执行方式An Introduction to Database System问题的产生（续）问题的产生（续）(2)交叉并发方式（Interleaved Concurrency）在单处理机系统中，事务的并行执行是这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行事务并没有真正地并行运行，但能够减少处理机的空闲时间，提高系统的效率An Introduction to Database System问题的产生（续）问题的产生（续）事务的交叉并发执行方式An Introduction to Datab

3、ase System问题的产生（续）问题的产生（续）(3)同时并发方式（simultaneous concurrency）多处理机系统中，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An Introduction to Database System问题的产生（续）问题的产生（续）v事务并发执行带来的问题会产生多个事务同时存取同一数据的情况 可能会存取和存储不正确的数据，破坏事务一致性和数据库的一致性An Introduction to Database System4.1 并发控制概述并发控制概述v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

4、离性保证数据库的一致性An Introduction to Database SystemT1的修改被的修改被T2覆盖了！覆盖了！并发控制概述（续）并发控制概述（续）并发操作带来数据的不一致性实例并发操作带来数据的不一致性实例例1飞机订票系统中的一个活动序列 甲售票点(甲事务)读出某航班的机票余额A，设A=16；乙售票点(乙事务)读出同一航班的机票余额A，也为16；甲售票点卖出一张机票，修改余额AA-1，所以A为15，把A写回数据库；乙售票点也卖出一张机票，修改余额AA-1，所以A为15，把A写回数据库 n结果明明卖出两张机票，数据库中机票余额只减少1 An Introduction to D

5、atabase System并发控制概述（续）并发控制概述（续）v这种情况称为数据库的不一致性，是由并发操作引起的。v在并发操作情况下，对甲、乙两个事务的操作序列的调度是随机的。v若按上面的调度序列执行，甲事务的修改就被丢失。原因：第4步中乙事务修改A并写回后覆盖了甲事务的修改An Introduction to Database System并发控制概述（续）并发控制概述（续）v并发操作带来的数据不一致性丢失修改（Lost Update）不可重复读（Non-repeatable Read）读“脏”数据（Dirty Read）v记号R(x):读数据xW(x):写数据x An Introduct

6、ion to Database System1.丢失修改丢失修改v两个事务T1和T2读入同一数据并修改，T2的提交结果破坏了T1提交的结果，导致T1的修改被丢失。v上面飞机订票例子就属此类 An Introduction to Database System丢失修改（续）丢失修改（续）T1T2 R(A)=16R(A)=16 AA-1 W(A)=15AA-1W(A)=15丢失修改An Introduction to Database System2.不可重复读不可重复读v不可重复读是指事务T1读取数据后，事务T2 执行更新操作，使T1无法再现前一次读取结果。An Introduction to

7、Database System不可重复读（续）不可重复读（续）v不可重复读包括三种情况：(1)事务T1读取某一数据后，事务T2对其做了修改，当事务T1再次读该数据时，得到与前一次不同的值 An Introduction to Database System不可重复读（续）不可重复读（续）nT1读取B=100进行运算nT2读取同一数据B，对其进行修改后将B=200写回数据库。nT1为了对读取值校对重读B，B已为200，与第一次读取值不一致 T1T2 R(A)=50 R(B)=100求和=150R(B)=100BB*2W(B)=200 R(A)=50R(B)=200和=250(验算不对)不可重复读

8、 例如：An Introduction to Database System不可重复读（续）不可重复读（续）(2)事务T1按一定条件从数据库中读取了某些数据记录后，事务T2删除了其中部分记录，当T1再次按相同条件读取数据时，发现某些记录消失了(3)事务T1按一定条件从数据库中读取某些数据记录后，事务T2插入了一些记录，当T1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）An Introduction to Database System3.读读“脏脏”数据数据 读“脏”数据是指：n事务T1修改某一数据，并将其写回磁盘n事务T2读取同一数

9、据后，T1由于某种原因被撤销n这时T1已修改过的数据恢复原值，T2读到的数据就与数据库中的数据不一致nT2读到的数据就为“脏”数据，即不正确的数据 An Introduction to Database System读读“脏脏”数据（续）数据（续）T1T2 R(C)=100 CC*2 W(C)=200R(C)=200ROLLBACK C恢复为100例如例如读“脏”数据 nT1将C值修改为200，T2读到C为200nT1由于某种原因撤销，其修改作废，C恢复原值100n这时T2读到的C为200，与数据库内容不一致，就是“脏”数据 An Introduction to Database System

10、并发控制概述（续）并发控制概述（续）v数据不一致性：由于并发操作破坏了事务的隔离性v并发控制就是要用正确的方式调度并发操作，使一个用户事务的执行不受其他事务的干扰，从而避免造成数据的不一致性 An Introduction to Database System并发控制概述（续）并发控制概述（续）v并发控制的主要技术封锁(Locking)时间戳(Timestamp)乐观控制法v商用的DBMS一般都采用封锁方法 An Introduction to Database System4.2 封锁封锁v什么是封锁v基本封锁类型v锁的相容矩阵An Introduction to Database Syst

11、em什么是封锁什么是封锁v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v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。An Introduction to Database System基本封锁类型基本封锁类型v一个事务对某个数据对象加锁后究竟拥有什么样的控制由封锁的类型决定。v基本封锁类型排它锁（Exclusive Locks，简记为X锁）共享锁（Share Locks，简记为S锁）An Introduction to Database System排它锁排它锁v排它锁又称为写锁v若事务T对数据对象A加

12、上X锁，则只允许T读取和修改A，其它任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁v保证其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A An Introduction to Database System共享锁共享锁v共享锁又称为读锁v若事务T对数据对象A加上S锁，则其它事务只能再对A加S锁，而不能加X锁，直到T释放A上的S锁v保证其他事务可以读A，但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改 An Introduction to Database System锁的相容矩阵锁的相容矩阵Y=Yes，相容的请求，相容的请求N=No，不相容的请求，不相容的请求 T1 T2XS-XNNYSNYY

13、-YYYAn Introduction to Database System锁的相容矩阵（续）锁的相容矩阵（续）在锁的相容矩阵中：v最左边一列表示事务T1已经获得的数据对象上的锁的类型，其中横线表示没有加锁。v最上面一行表示另一事务T2对同一数据对象发出的封锁请求。vT2的封锁请求能否被满足用矩阵中的Y和N表示Y表示事务T2的封锁要求与T1已持有的锁相容，封锁请求可以满足N表示T2的封锁请求与T1已持有的锁冲突，T2的请求被拒绝An Introduction to Database System使用封锁机制解决丢失修改问题使用封锁机制解决丢失修改问题T1T2 Xlock A R(A)=16Xl

14、ock A AA-1等待 W(A)=15等待 Commit等待 Unlock A等待获得Xlock AR(A)=15AA-1W(A)=14CommitUnlock A例：例：n事务T1在读A进行修改之前先对A加X锁n当T2再请求对A加X锁时被拒绝nT2只能等待T1释放A上的锁后T2获得对A的X锁n这时T2读到的A已经是T1更新过的值15nT2按此新的A值进行运算，并将结果值A=14送回到磁盘。避免了丢失T1的更新。没有丢失修改没有丢失修改An Introduction to Database System使用封锁机制解决不可重复读问题使用封锁机制解决不可重复读问题T1T2 Slock ASlo

15、ck BR(A)=50R(B)=100求和=150Xlock B等待等待 R(A)=50等待R(B)=100等待求和=150等待Commit等待Unlock A等待Unlock B等待获得XlockBR(B)=100BB*2W(B)=200CommitUnlock Bn事务T1在读A，B之前，先对A，B加S锁n其他事务只能再对A，B加S锁，而不能加X锁，即其他事务只能读A，B，而不能修改n当T2为修改B而申请对B的X锁时被拒绝只能等待T1释放B上的锁nT1为验算再读A，B，这时读出的B仍是100，求和结果仍为150，即可重复读nT1结束才释放A，B上的S锁。T2才获得对B的X锁 可重复读可重复

16、读An Introduction to Database System使用封锁机制解决读使用封锁机制解决读“脏脏”数据问数据问题题T1T2 Xlock CR(C)=100CC*2W(C)=200Slock C等待 ROLLBACK等待(C恢复为100)等待Unlock C等待获得Slock CR(C)=100Commit CUnlock C例例n事务T1在对C进行修改之前，先对C加X锁，修改其值后写回磁盘nT2请求在C上加S锁，因T1已在C上加了X锁，T2只能等待nT1因某种原因被撤销，C恢复为原值100nT1释放C上的X锁后T2获得C上的S锁，读C=100。避免了T2读“脏”数据不读不读“脏

17、脏”数据数据 An Introduction to Database System4.3 活锁和死锁活锁和死锁v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死锁活锁An Introduction to Database System4.3.1 活锁活锁v事务T1封锁了数据Rv事务T2又请求封锁R，于是T2等待。vT3也请求封锁R，当T1释放了R上的封锁之后系统首先批准了T3的请求，T2仍然等待。vT4又请求封锁R，当T3释放了R上的封锁之后系统又批准了T4的请求vT2有可能永远等待，这就是活锁的情形 An Introduction to Database System活锁（

18、续）活锁（续）活活 锁锁An Introduction to Database System活锁（续）活锁（续）v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An Introduction to Database System4.3.2 死锁死锁v事务T1封锁了数据R1vT2封锁了数据R2vT1又请求封锁R2，因T2已封锁了R2，于是T1等待T2释放R2上的锁v接着T2又申请封锁R1，因T1已封锁了R1，T2也只能等待T1释放R1上的锁v这样T1在等待T2，而T2又在等待T1，T1和

19、T2两个事务永远不能结束，形成死锁 An Introduction to Database System死锁（续）死锁（续）T1T2lock R1Lock R2Lock R2.等待等待Lock R1等待等待等待等待死 锁An Introduction to Database System解决死锁的方法解决死锁的方法两类方法1.预防死锁2.死锁的诊断与解除An Introduction to Database System1.死锁的预防死锁的预防v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，然后又都请求对已为其他事务封锁的数据对象加锁，从而出现死等待。v预防死锁的发生就是要破坏产生死锁

20、的条件An Introduction to Database System死锁的预防（续）死锁的预防（续）预防死锁的方法v 一次封锁法v 顺序封锁法An Introduction to Database System(1)一次封锁法一次封锁法v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v存在的问题降低系统并发度难于事先精确确定封锁对象An Introduction to Database System(2)顺序封锁法顺序封锁法v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。v顺序封锁法存在的问题维护成本 数据库系统中封锁的数据对象极多，并且在

21、不断地变化。难以实现：很难事先确定每一个事务要封锁哪些对象 An Introduction to Database System死锁的预防（续）死锁的预防（续）v结论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An Introduction to Database System2.死锁的诊断与解除死锁的诊断与解除v死锁的诊断n超时法n事务等待图法 An Introduction to Database System(1)超时法超时法v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v优点：实现简单v缺点有可能误判

22、死锁时限若设置得太长，死锁发生后不能及时发现An Introduction to Database System(2)等待图法等待图法v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T2An Introduction to Database System等待图法（续）等待图法（续）事务等待图n图(a)中，事务T1等待T2，T2等待T1，产生了死锁n图(b)中，事务T1等待T2，T2等待T3，T3等待T4，T4又等待T1，产生了死锁 n

23、图(b)中，事务T3可能还等待T2，在大回路中又有小的回路 An Introduction to Database System等待图法（续）等待图法（续）v并发控制子系统周期性地（比如每隔数秒）生成事务等待图，检测事务。如果发现图中存在回路，则表示系统中出现了死锁。An Introduction to Database System死锁的诊断与解除（续）死锁的诊断与解除（续）v解除死锁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An Introduction to Database System4.4 并发调度的可串行性并发调度的可串行性vDBM

24、S对并发事务不同的调度可能会产生不同的结果v什么样的调度是正确的？An Introduction to Database System4.4.1 可串行化调度可串行化调度v可串行化(Serializable)调度n多个事务的并发执行是正确的，当且仅当其结果与按某一次序串行地执行这些事务时的结果相同v可串行性(Serializability)是并发事务正确调度的准则一个给定的并发调度，当且仅当它是可串行化的，才认为是正确调度 An Introduction to Database System可串行化调度（续）可串行化调度（续）例现在有两个事务，分别包含下列操作：事务T1：读B；A=B+1；写回

25、A事务T2：读A；B=A+1；写回B现给出对这两个事务不同的调度策略 An Introduction to Database System串行化调度串行化调度,正确的调度正确的调度T1T2Slock BY=R(B)=2Unlock BXlock AA=Y+1=3W(A)Unlock ASlock AX=R(A)=3Unlock AXlock BB=X+1=4W(B)Unlock B串行调度(a)n假设A、B的初值均为2。n按T1T2次序执行结果为A=3，B=4 n串行调度策略,正确的调度 An Introduction to Database System串行化调度串行化调度,正确的调度正确的

26、调度T1T2Slock AX=R(A)=2Unlock AXlock BB=X+1=3W(B)Unlock BSlock BY=R(B)=3Unlock BXlock AA=Y+1=4W(A)Unlock A串行调度(b)n假设A、B的初值均为2。nT2T1次序执行结果为B=3，A=4 n串行调度策略,正确的调度 An Introduction to Database System不可串行化调度，错误的调度不可串行化调度，错误的调度T1T2Slock BY=R(B)=2Slock AX=R(A)=2Unlock BUnlock AXlock AA=Y+1=3W(A)Xlock BB=X+1=3

27、W(B)Unlock AUnlock B不可串行化的调度 n执行结果与(a)、(b)的结果都不同n是错误的调度 An Introduction to Database System可串行化调度，正确的调度可串行化调度，正确的调度T1T2Slock BY=R(B)=2Unlock BXlock ASlock AA=Y+1=3等待W(A)等待Unlock A等待X=R(A)=3Unlock AXlock BB=X+1=4W(B)Unlock B可串行化的调度 n执行结果与串行调度(a)的执行结果相同n是正确的调度 An Introduction to Database System11.4.2 冲

28、突可串行化调度冲突可串行化调度v可串行化调度的充分条件充分条件一个调度Sc在保证冲突操作冲突操作的次序不变的情况下，通过交换两个事务不冲突操作的次序得到另一个调度Sc，如果Sc是串行的，称调度Sc为冲突可串行化的调度一个调度是冲突可串行化，一定是可串行化的调度An Introduction to Database System冲突可串行化调度（续）冲突可串行化调度（续）冲突操作冲突操作v冲突操作是指不同的事务对同一个数据的读写操作和写写操作Ri(x)与Wj(x)/*事务Ti读x，Tj写x*/Wi(x)与Wj(x)/*事务Ti写x，Tj写x*/v其他操作是不冲突操作v不同事务的冲突操作和同一事务

29、的两个操作不能交换(Swap)An Introduction to Database System冲突可串行化调度（续）冲突可串行化调度（续）例今有调度Sc1=r1(A)w1(A)r2(A)w2(A)r1(B)w1(B)r2(B)w2(B)把w2(A)与r1(B)w1(B)交换，得到：r1(A)w1(A)r2(A)r1(B)w1(B)w2(A)r2(B)w2(B)再把r2(A)与r1(B)w1(B)交换：Sc2r1(A)w1(A)r1(B)w1(B)r2(A)w2(A)r2(B)w2(B)Sc2等价于一个串行调度T1，T2，Sc1冲突可串行化的调度An Introduction to Database System冲突可串行化调度（续）冲突可串行化调度（续）v冲突可串行化调度是可串行化调度的充分条件，不是必要条件。还有不满足冲突可串行化条件的可串行化调度。例有3个事务 T1=W1(Y)W1(X)，T2=W2(Y)W2(X)，T3=W3(X)调度L1=W1(Y)W1(X)W2(Y)W2(X)W3(X)是一个串行调度。调度L2=W1(Y)W2(Y)W2(X)W1(X)W3(X)不满足冲突可串行化。但是调度L2是可串行化的，因为L2执行的结果与调度L1相同，Y的值都等于T2的值，X的值都等于T3的值 An Introduction to Database System