并發(fā)控制課件

并發(fā)控制第8章概述封鎖封鎖協(xié)議活鎖和死鎖并發(fā)調(diào)度的可串行性兩段鎖協(xié)議

封鎖的粒度

Oracle的并發(fā)控制7/31/20231數(shù)據(jù)庫原理多事務(wù)執(zhí)行方式(1)事務(wù)串行執(zhí)行每個時刻只有一個事務(wù)運行不能充分利用系統(tǒng)資源，發(fā)揮數(shù)據(jù)庫共享資源的特點。(2)交叉并發(fā)方式（interleavedconcurrency）事務(wù)的并行執(zhí)行是這些并行事務(wù)的并行操作輪流交叉運行單處理機系統(tǒng)中的并發(fā)方式，能夠減少處理機的空閑時間，提高系統(tǒng)的效率。(3)同時并發(fā)方式（simultaneousconcurrency）多處理機系統(tǒng)中，每個處理機可以運行一個事務(wù)，多個處理機可以同時運行多個事務(wù)，實現(xiàn)多個事務(wù)真正的并行運行。最理想的并發(fā)方式更復(fù)雜的并發(fā)方式機制概述7/31/20232數(shù)據(jù)庫原理事務(wù)并發(fā)執(zhí)行帶來的問題可能會存取和存儲不正確的數(shù)據(jù)，破壞事務(wù)的隔離性和數(shù)據(jù)庫的一致性。DBMS必須提供并發(fā)控制機制并發(fā)控制機制是衡量一個DBMS性能的重要標(biāo)志之一。7/31/20233數(shù)據(jù)庫原理8.1并發(fā)控制概述并發(fā)控制機制的任務(wù)對并發(fā)操作進行正確調(diào)度保證事務(wù)的隔離性保證數(shù)據(jù)庫的一致性7/31/20234數(shù)據(jù)庫原理數(shù)據(jù)不一致實例：飛機訂票系統(tǒng)

讀A=16

A←A-3寫回A=13①讀A=16

②

③A←A-1

寫回A=15

④事務(wù)T2事務(wù)T1T1的修改被T2覆蓋了！7/31/20235數(shù)據(jù)庫原理并發(fā)操作帶來的數(shù)據(jù)不一致性丟失修改（lostupdate）不可重復(fù)讀（non-repeatableread）讀“臟”數(shù)據(jù)（dirtyread）丟失修改是指事務(wù)1與事務(wù)2從數(shù)據(jù)庫中讀入同一數(shù)據(jù)并修改，事務(wù)2的提交結(jié)果破壞了事務(wù)1提交的結(jié)果，導(dǎo)致事務(wù)1的修改被丟失。不可重復(fù)讀是指事務(wù)1讀取數(shù)據(jù)后，事務(wù)2執(zhí)行更新操作，使事務(wù)1無法再現(xiàn)前一次讀取結(jié)果。事務(wù)1修改某一數(shù)據(jù)，并將其寫回磁盤；事務(wù)2讀取同一數(shù)據(jù)后；事務(wù)1由于某種原因被撤消，這時事務(wù)1已修改過的數(shù)據(jù)恢復(fù)原值；事務(wù)2讀到的數(shù)據(jù)就與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不一致，是不正確的數(shù)據(jù)，又稱為“臟”數(shù)據(jù)。7/31/20236數(shù)據(jù)庫原理T1T2①讀A=16

②

③A←A-1

寫回

A=15

④

讀A=16

A←A-1

寫回

A=15(a)丟失修改

讀C=200

①讀C=100C←C*2

寫回C②

③ROLLBACKC恢復(fù)為

100T2T1(c)讀“臟”數(shù)據(jù)

讀B=100B←B*2寫回B=200

①

讀A=50

讀B=100

求和=150②

③讀A=50

讀B=200

求和=250(驗算不對)T2T1(b)不可重復(fù)讀7/31/20237數(shù)據(jù)庫原理8.2封鎖(Locking)什么是封鎖基本封鎖類型基本鎖的相容矩陣7/31/20238數(shù)據(jù)庫原理封鎖的概念封鎖就是事務(wù)T在對某個數(shù)據(jù)對象（例如表、記錄等）操作之前，先向系統(tǒng)發(fā)出請求，對其加鎖。加鎖后事務(wù)T就對該數(shù)據(jù)對象有了一定的控制，在事務(wù)T釋放它的鎖之前，其它的事務(wù)不能更新此數(shù)據(jù)對象。封鎖是實現(xiàn)并發(fā)控制的一個非常重要的技術(shù)。7/31/20239數(shù)據(jù)庫原理基本封鎖類型DBMS通常提供了多種類型的封鎖。一個事務(wù)對某個數(shù)據(jù)對象加鎖后究竟擁有什么樣的控制是由封鎖的類型決定的。基本封鎖類型排它鎖（Exclusivelock，簡記為X鎖）共享鎖（Sharelock，簡記為S鎖）若事務(wù)T對數(shù)據(jù)對象A加上X鎖，則只允許T讀取和修改A，其它任何事務(wù)都不能再對A加任何類型的鎖，直到T釋放A上的鎖。若事務(wù)T對數(shù)據(jù)對象A加上S鎖，則其它事務(wù)只能再對A加S鎖，而不能加X鎖，直到T釋放A上的S鎖。7/31/202310數(shù)據(jù)庫原理鎖的相容矩陣Y=Yes，相容的請求N=No，不相容的請求T1T2XS-XNNYSNYY-YYY7/31/202311數(shù)據(jù)庫原理8.3封鎖協(xié)議在運用X鎖和S鎖對數(shù)據(jù)對象加鎖時，需要約定一些規(guī)則：封鎖協(xié)議（LockingProtocol）

何時申請X鎖或S鎖持鎖時間、何時釋放不同的封鎖協(xié)議，在不同的程度上為并發(fā)操作的正確調(diào)度提供一定的保證常用的封鎖協(xié)議：三級封鎖協(xié)議7/31/202312數(shù)據(jù)庫原理1級封鎖協(xié)議事務(wù)T在修改數(shù)據(jù)R之前必須先對其加X鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放正常結(jié)束（COMMIT）非正常結(jié)束（ROLLBACK）1級封鎖協(xié)議可防止丟失修改在1級封鎖協(xié)議中，如果是讀數(shù)據(jù)，不需要加鎖的，所以它不能保證可重復(fù)讀和不讀“臟”數(shù)據(jù)。7/31/202313數(shù)據(jù)庫原理T1T2①

XlockA

獲得②

讀A=16

③A←A-1

寫回A=15CommitUnlockA④

⑤

XlockA等待等待等待等待獲得XlockA讀A=15A←A-1寫回A=14CommitUnlockA

沒有丟失修改

讀A=15①

XlockA

獲得②

讀A=16

A←A-1

寫回A=15③

④RollbackUnlockA

T2T1讀“臟”數(shù)據(jù)7/31/202314數(shù)據(jù)庫原理

XlockB

獲得讀B=100B←B*2

寫回B=200CommitUnlockB①讀A=50

讀B=100

求和=150②③讀A=50

讀B=200

求和=250(驗算不對)T2T1不可重復(fù)讀7/31/202315數(shù)據(jù)庫原理2級封鎖協(xié)議1級封鎖協(xié)議+事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R前必須先加S鎖，讀完后即可釋放S鎖2級封鎖協(xié)議可以防止丟失修改和讀“臟”數(shù)據(jù)。在2級封鎖協(xié)議中，由于讀完數(shù)據(jù)后即可釋放S鎖，所以它不能保證可重復(fù)讀。7/31/202316數(shù)據(jù)庫原理不可重復(fù)讀①

SclockA

獲得讀A=50UnlockA②SclockB

獲得讀B=100UnlockB③求和=150

XlockB等待等待獲得XlockB讀B=100B←B*2寫回B=200CommitUnlockBT2T1④SclockA

獲得讀A=50UnlockA

SclockB

獲得讀B=200UnlockB

求和=250(驗算不對)

T2T1(續(xù))7/31/202317數(shù)據(jù)庫原理3級封鎖協(xié)議1級封鎖協(xié)議+事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對其加S鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放3級封鎖協(xié)議可防止丟失修改、讀臟數(shù)據(jù)和不可重復(fù)讀。7/31/202318數(shù)據(jù)庫原理T1T2①

SlockA

讀A=50

SlockB

讀B=100

求和=150②

③讀A=50

讀B=100

求和=150CommitUnlockAUnlockB④

⑤

XlockB等待等待等待等待等待等待等待等待獲得XlockB讀B=100B←B*2寫回B=200CommitUnlockB

可重復(fù)讀T1T2①

XlockC

讀C=100C←C*2

寫回C=200②

③ROLLBACK(C恢復(fù)為100)UnlockC④

⑤

SlockC等待等待等待等待獲得SlockC讀C=100CommitCUnlockC不讀“臟”數(shù)據(jù)7/31/202319數(shù)據(jù)庫原理三級協(xié)議的主要區(qū)別什么操作需要申請封鎖何時釋放鎖（即持鎖時間）封鎖協(xié)議小結(jié)7/31/202320數(shù)據(jù)庫原理8.4活鎖和死鎖封鎖技術(shù)可以有效地解決并行操作的一致性問題，但也帶來一些新的問題死鎖活鎖7/31/202321數(shù)據(jù)庫原理活鎖T2有可能永遠(yuǎn)等待，這就是活鎖的情形。7/31/202322數(shù)據(jù)庫原理采用先來先服務(wù)的策略：當(dāng)多個事務(wù)請求封鎖同一數(shù)據(jù)對象時按請求封鎖的先后次序?qū)@些事務(wù)排隊該數(shù)據(jù)對象上的鎖一旦釋放，首先批準(zhǔn)申請隊列中第一個事務(wù)獲得鎖。如何避免活鎖7/31/202323數(shù)據(jù)庫原理死鎖T1和T2兩個事務(wù)永遠(yuǎn)不能結(jié)束，形成死鎖。7/31/202324數(shù)據(jù)庫原理解決死鎖的方法

預(yù)防死鎖

一次封鎖法

順序封鎖法死鎖的診斷與解除

超時法

等待圖法結(jié)論操作系統(tǒng)中廣為采用的預(yù)防死鎖的策略并不很適合數(shù)據(jù)庫DBMS解決死鎖更普遍采用的是診斷并解除死鎖的方法7/31/202325數(shù)據(jù)庫原理一次封鎖法要求每個事務(wù)必須一次將所有要使用的數(shù)據(jù)全部加鎖，否則就不能繼續(xù)執(zhí)行。一次封鎖法存在的問題：降低并發(fā)度將以后要用到的全部數(shù)據(jù)加鎖，勢必擴大了封鎖的范圍，從而降低了系統(tǒng)的并發(fā)度。執(zhí)行過程時很難事先精確地確定每個事務(wù)所要封鎖地數(shù)據(jù)對象，須將執(zhí)行過程中可能要封鎖的對象全部加鎖，從而進一步降低了并發(fā)度。7/31/202326數(shù)據(jù)庫原理順序封鎖法順序封鎖法是預(yù)先對數(shù)據(jù)對象規(guī)定一個封鎖順序，所有事務(wù)都按這個順序?qū)嵭蟹怄i。例：規(guī)定數(shù)據(jù)對象的封鎖順序為A,B,C,D,E。事務(wù)T3起初要求封鎖數(shù)據(jù)對象B,C,E，但當(dāng)它封鎖了B,C后，才發(fā)現(xiàn)還需要封鎖A，這樣就破壞了封鎖順序.順序封鎖法存在的問題數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中可封鎖的數(shù)據(jù)對象極其眾多，并且不斷地變化，要維護這樣的資源的封鎖順序非常困難，成本很高。很難事先確定每個事務(wù)要封鎖的對象，因此很難按規(guī)定的順序去施加封鎖。7/31/202327數(shù)據(jù)庫原理超時法如果一個事務(wù)的等待時間超過了規(guī)定的時限，就認(rèn)為發(fā)生了死鎖。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單缺點有可能誤判死鎖時限若設(shè)置得太長，死鎖發(fā)生后不能及時發(fā)現(xiàn)7/31/202328數(shù)據(jù)庫原理等待圖法用事務(wù)等待圖動態(tài)反映所有事務(wù)的等待情況事務(wù)等待圖是一個有向圖G=(T，U)T為結(jié)點的集合，每個結(jié)點表示正運行的事務(wù)U為邊的集合，每條邊表示事務(wù)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并發(fā)控制子系統(tǒng)周期性地（比如每隔1min）檢測事務(wù)等待圖，如果發(fā)現(xiàn)圖中存在回路，則表示系統(tǒng)中出現(xiàn)了死鎖。解除死鎖選擇一個處理死鎖代價最小的事務(wù)，將其撤消，釋放此事務(wù)持有的所有的鎖，使其它事務(wù)能繼續(xù)運行下去。7/31/202329數(shù)據(jù)庫原理8.5并發(fā)調(diào)度的可串行性

什么樣的并發(fā)操作調(diào)度是正確的

如何保證并發(fā)操作的調(diào)度是正確的7/31/202330數(shù)據(jù)庫原理并發(fā)調(diào)度正確的判斷計算機系統(tǒng)對并行事務(wù)中并行操作的調(diào)度是的隨機的，而不同的調(diào)度可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果。如果一個事務(wù)運行過程中沒有其他事務(wù)在同時運行，也就是說它沒有受到其他事務(wù)的干擾，那么就可以認(rèn)為該事務(wù)的運行結(jié)果是正常的。以不同的順序串行執(zhí)行事務(wù)有可能會產(chǎn)生不同的結(jié)果，但由于不會將數(shù)據(jù)庫置于不一致狀態(tài)，所以都認(rèn)為是正確的。

幾個事務(wù)的并行執(zhí)行是正確的，當(dāng)且僅當(dāng)其結(jié)果與按某一次序串行地執(zhí)行它們時的結(jié)果相同。這種并行調(diào)度策略稱為可串行化（Serializable）的調(diào)度。7/31/202331數(shù)據(jù)庫原理可串行性是并行事務(wù)正確性的唯一準(zhǔn)則例：現(xiàn)在有兩個事務(wù)，分別包含下列操作：事務(wù)1：讀B；A=B+1；寫回A；事務(wù)2：讀A；B=A+1；寫回B；假設(shè)A的初值為2，B的初值為2。對這兩個事務(wù)的不同調(diào)度策略串行執(zhí)行串行調(diào)度策略1串行調(diào)度策略2交錯執(zhí)行不可串行化的調(diào)度可串行化的調(diào)度7/31/202332數(shù)據(jù)庫原理SlockBY=B=2UnlockBXlockAA=Y+1寫回A(=3)UnlockA

SlockAX=A=3UnlockAXlockBB=X+1寫回B(=4)UnlockB

T1T2

SlockBY=B=3UnlockBXlockAA=Y+1寫回A(=4)UnlockA

SlockA

X=A=2UnlockAXlockBB=X+1寫回B(=3)UnlockB

T1T2串行調(diào)度策略，正確的調(diào)度7/31/202333數(shù)據(jù)庫原理SlockBY=B=2UnlockBXlockA

A=Y+1寫回A(=3)UnlockA

SlockA

等待等待等待X=A=3UnlockAXlockBB=X+1寫回B(=4)UnlockBT1T2SlockBY=B=2

UnlockB

XlockAA=Y+1寫回A(=3)

UnlockA

SlockAX=A=2

UnlockA

XlockBB=X+1寫回B(=3)

UnlockBT1T2不可串行化的調(diào)度可串行化的調(diào)度7/31/202334數(shù)據(jù)庫原理并發(fā)調(diào)度正確的保證從理論上講，在某一事務(wù)執(zhí)行時禁止其他事務(wù)執(zhí)行的調(diào)度策略一定是可串行化的調(diào)度，這也是最簡單的調(diào)度策略，但這種方法實際上是不可行的，因為它使用戶不能充分共享數(shù)據(jù)庫資源。保證并發(fā)操作調(diào)度正確性的方法封鎖方法：兩段鎖（Two-PhaseLocking，簡稱2PL）協(xié)議時標(biāo)方法樂觀方法7/31/202335數(shù)據(jù)庫原理8.6兩段鎖協(xié)議兩段鎖協(xié)議（加鎖和解鎖）的內(nèi)容在對任何數(shù)據(jù)進行讀、寫操作之前，事務(wù)首先要獲得對該數(shù)據(jù)的封鎖。在釋放一個封鎖之后，事務(wù)不再獲得任何其他封鎖。“兩段”鎖的含義事務(wù)分為兩個階段第一階段是獲得封鎖，也稱為擴展階段；第二階段是釋放封鎖，也稱為收縮階段。7/31/202336數(shù)據(jù)庫原理例：事務(wù)1的封鎖序列：SlockA...SlockB...XlockC...UnlockB...UnlockA...UnlockC；事務(wù)2的封鎖序列：SlockA...UnlockA...SlockB...XlockC...UnlockC...UnlockB；事務(wù)1遵守兩段鎖協(xié)議，而事務(wù)2不遵守兩段協(xié)議。7/31/202337數(shù)據(jù)庫原理并行執(zhí)行的所有事務(wù)均遵守兩段鎖協(xié)議，則對這些事務(wù)的所有并行調(diào)度策略都是可串行化的。

所有遵守兩段鎖協(xié)議的事務(wù)，其并行執(zhí)行的結(jié)果一定是正確的。事務(wù)遵守兩段鎖協(xié)議是可串行化調(diào)度的充分條件，而不是必要條件?？纱谢恼{(diào)度中，不一定所有事務(wù)都必須符合兩段鎖協(xié)議。7/31/202338數(shù)據(jù)庫原理T1SlockB讀B=2Y=BXlockA

A=Y+1寫回A=3UnlockBUnlockA

T2

SlockA

等待等待等待等待等待SlockA讀A=3Y=AXlockBB=Y+1寫回B=4UnlockBUnlockA

T1SlockB讀B=2Y=BUnlockBXlockA

A=Y+1寫回A=3UnlockA

T2

SlockA等待等待等待等待SlockA讀A=3X=AUnlockAXlockBB=X+1寫回B=4UnlockB

(a)遵守兩段鎖協(xié)議

(b)不遵守兩段鎖協(xié)議T1SlockB讀B=2Y=BUnlockBXlockAA=Y+1寫回A=3UnlockAT2

SlockA讀A=2X=AUnlockAXlockB等待XlockBB=X+1寫回B=3UnlockB

(c)不遵守兩段鎖協(xié)議7/31/202339數(shù)據(jù)庫原理一次封鎖法要求每個事務(wù)必須一次將所有要使用的數(shù)據(jù)全部加鎖，否則就不能繼續(xù)執(zhí)行，因此一次封鎖法遵守兩段鎖協(xié)議。但是兩段鎖協(xié)議并不要求事務(wù)必須一次將所有要使用的數(shù)據(jù)全部加鎖，因此遵守兩段鎖協(xié)議的事務(wù)可能發(fā)生死鎖。兩段鎖協(xié)議與防止死鎖的一次封鎖法7/31/202340數(shù)據(jù)庫原理T1SlockB讀B=2

XlockA等待等待T2

SlockA讀A=2

XlockB等待圖

遵守兩段鎖協(xié)議的事務(wù)發(fā)生死鎖7/31/202341數(shù)據(jù)庫原理8.7封鎖的粒度X鎖和S鎖都是加在某一個數(shù)據(jù)對象上的封鎖的對象:邏輯單元，物理單元例：在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，封鎖對象：邏輯單元:屬性值、屬性值集合、元組、關(guān)系、索引項、整個索引、整個數(shù)據(jù)庫等。物理單元：頁（數(shù)據(jù)頁或索引頁）、塊等。封鎖對象可以很大也可以很小例：對整個數(shù)據(jù)庫加鎖或?qū)δ硞€屬性值加鎖7/31/202342數(shù)據(jù)庫原理封鎖對象的大小稱為封鎖的粒度(Granularity)多粒度封鎖(multiplegranularitylocking)在一個系統(tǒng)中同時支持多種封鎖粒度供不同的事務(wù)選擇封鎖的粒度越大小系統(tǒng)被封鎖的對象少多并發(fā)度小高系統(tǒng)開銷小大選擇封鎖粒度：考慮封鎖機構(gòu)和并發(fā)度兩個因素對系統(tǒng)開銷與并發(fā)度進行權(quán)衡7/31/202343數(shù)據(jù)庫原理需要處理多個關(guān)系的大量元組的用戶事務(wù)：以數(shù)據(jù)庫為封鎖單位；需要處理大量元組的用戶事務(wù)：以關(guān)系為封鎖單元；只處理少量元組的用戶事務(wù)：以元組為封鎖單位。選擇封鎖粒度的原則7/31/202344數(shù)據(jù)庫原理8.7.1多粒度封鎖多粒度樹以樹形結(jié)構(gòu)來表示多級封鎖粒度根結(jié)點是整個數(shù)據(jù)庫，表示最大的數(shù)據(jù)粒度葉結(jié)點表示最小的數(shù)據(jù)粒度

例：三級粒度樹。根結(jié)點為數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫的子結(jié)點為關(guān)系，關(guān)系的子結(jié)點為元組。7/31/202345數(shù)據(jù)庫原理允許多粒度樹中的每個結(jié)點被獨立地加鎖對一個結(jié)點加鎖意味著這個結(jié)點的所有后裔結(jié)點也被加以同樣類型的鎖在多粒度封鎖中一個數(shù)據(jù)對象可能以兩種方式封鎖：顯式封鎖和隱式封鎖顯式封鎖:直接加到數(shù)據(jù)對象上的封鎖隱式封鎖:由于其上級結(jié)點加鎖而使該數(shù)據(jù)對象加上了鎖顯式封鎖和隱式封鎖的效果是一樣的7/31/202346數(shù)據(jù)庫原理該數(shù)據(jù)對象有無顯式封鎖與之沖突所有上級結(jié)點檢查本事務(wù)的顯式封鎖是否與該數(shù)據(jù)對象上的隱式封鎖沖突：(由上級結(jié)點封鎖造成的）所有下級結(jié)點看上面的顯式封鎖是否與本事務(wù)的隱式封鎖（將加到下級結(jié)點的封鎖）沖突。對某個數(shù)據(jù)對象加鎖時系統(tǒng)檢查的內(nèi)容7/31/202347數(shù)據(jù)庫原理8.7.2意向鎖引進意向鎖（intentionlock）目的提高對某個數(shù)據(jù)對象加鎖時系統(tǒng)的檢查效率對任一結(jié)點加基本鎖，必須先對它的上層結(jié)點加意向鎖；如果對一個結(jié)點加意向鎖，則說明該結(jié)點的下層結(jié)點正在被加鎖。例：對任一元組r加鎖，先關(guān)系R加意向鎖事務(wù)T要對關(guān)系R加X鎖,系統(tǒng)只要檢查根結(jié)點數(shù)據(jù)庫和關(guān)系R是否已加了不相容的鎖，不需要搜索和檢查R中的每一個元組是否加了X鎖7/31/202348數(shù)據(jù)庫原理常用的意向鎖意向共享鎖(IntentShareLock，簡稱IS鎖)意向排它鎖(IntentExclusiveLock，簡稱IX鎖)共享意向排它鎖(ShareIntentExclusiveLock，簡稱SIX鎖)7/31/202349數(shù)據(jù)庫原理

IS鎖如果對一個數(shù)據(jù)對象加IS鎖，表示它的后裔結(jié)點

擬（意向）加S鎖。

例：要對某個元組加S鎖，則要首先對關(guān)系和數(shù)據(jù)庫加IS鎖。7/31/202350數(shù)據(jù)庫原理

IX鎖如果對一個數(shù)據(jù)對象加IX鎖，表示它的后裔結(jié)點擬（意向）加X鎖。例：要對某個元組加X鎖，則要首先對關(guān)系和數(shù)據(jù)庫加IX鎖。7/31/202351數(shù)據(jù)庫原理

SIX鎖如果對一個數(shù)據(jù)對象加SIX鎖，表示對它加S鎖，再加IX鎖，即SIX=S+IX。例：對某個表加SIX鎖，則表示該事務(wù)要讀整個表（所以要對該表加S鎖），同時會更新個別元組（所以要對該表加IX鎖）。7/31/202352數(shù)據(jù)庫原理意向鎖的相容矩陣

T1T2SXISIXSIX-SYNYNNY

XNNNNNY

ISYNY

Y

Y

Y

IXNNY

Y