《事務(wù)與并發(fā)控制》課件

事務(wù)與并發(fā)控制事務(wù)是數(shù)據(jù)庫操作的基本單元,能確保數(shù)據(jù)庫狀態(tài)從一個一致性狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個一致性狀態(tài)。并發(fā)控制則確保在多個用戶同時訪問數(shù)據(jù)庫時,保證數(shù)據(jù)的一致性和完整性。本課件將深入探討這兩個重要的數(shù)據(jù)庫管理概念。事務(wù)概述1定義事務(wù)是數(shù)據(jù)庫中一個基本的邏輯操作單元,由一系列數(shù)據(jù)讀取和寫入操作組成。2作用事務(wù)確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性,確保多個操作作為一個整體執(zhí)行。3特點事務(wù)具有原子性、一致性、隔離性和持久性四大特性,簡稱ACID特性。4應(yīng)用事務(wù)廣泛應(yīng)用于銀行轉(zhuǎn)賬、訂單支付等涉及多步操作的場景中。事務(wù)的ACID特性原子性(Atomicity)事務(wù)是不可分割的最小操作單元，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行。一致性(Consistency)事務(wù)執(zhí)行前后，數(shù)據(jù)庫都必須處于一致狀態(tài)，滿足完整性約束。隔離性(Isolation)事務(wù)之間相互獨立執(zhí)行，不會互相干擾。持久性(Durability)事務(wù)一旦提交或回滾，其結(jié)果就會永久保存或撤銷，不會丟失。事務(wù)的原子性事務(wù)的不可分割性事務(wù)中的所有操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗。即使在執(zhí)行過程中出現(xiàn)故障，事務(wù)仍然保持數(shù)據(jù)庫從一種一致狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種一致狀態(tài)。事務(wù)的回滾機制如果事務(wù)中的任何一個操作失敗，就需要執(zhí)行回滾操作，撤消已經(jīng)執(zhí)行的操作，使數(shù)據(jù)庫返回到事務(wù)開始前的狀態(tài)。事務(wù)日志的作用通過記錄事務(wù)的變更信息到日志中，可以在發(fā)生故障時進行恢復(fù),確保事務(wù)的原子性。事務(wù)的一致性面臨挑戰(zhàn)事務(wù)必須從一種合法的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種合法的狀態(tài)。即使在事務(wù)執(zhí)行期間出現(xiàn)故障,事務(wù)也必須確保數(shù)據(jù)庫保持一致性。這需要事務(wù)處理系統(tǒng)能夠正確地檢查和修正數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性。一致性保證事務(wù)處理系統(tǒng)必須確保任何事務(wù)的執(zhí)行都不會違反數(shù)據(jù)庫中定義的完整性約束。這意味著事務(wù)必須將數(shù)據(jù)庫從一個有效狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€有效狀態(tài),而不能產(chǎn)生中間狀態(tài)。事務(wù)的隔離性防止干擾事務(wù)的隔離性確保了不同事務(wù)之間的操作互不干擾,提高了數(shù)據(jù)處理的安全性和可靠性。實現(xiàn)獨立性隔離性保證了每個事務(wù)都可以獨立執(zhí)行,不受其他事務(wù)的影響,從而保證了數(shù)據(jù)的完整性。避免并發(fā)問題恰當(dāng)?shù)母綦x級別可以有效地避免事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時出現(xiàn)的丟失修改、臟讀、不可重復(fù)讀等問題。提高并發(fā)性通過合理的隔離級別設(shè)置,可以在保證數(shù)據(jù)一致性的前提下,提升系統(tǒng)的并發(fā)處理能力。事務(wù)的持久性事務(wù)持久性的定義事務(wù)的持久性是指一旦事務(wù)提交成功,其所做的修改就會永久保存在數(shù)據(jù)庫中,即使系統(tǒng)崩潰或遇到其他故障也不會丟失。事務(wù)日志的作用通過記錄事務(wù)操作日志,可以在系統(tǒng)故障時恢復(fù)數(shù)據(jù)庫狀態(tài),確保事務(wù)的持久性。事務(wù)回滾的必要性如果事務(wù)在執(zhí)行過程中發(fā)生異常,可以通過事務(wù)回滾機制撤銷之前的操作,保證數(shù)據(jù)的一致性。并發(fā)控制問題丟失修改當(dāng)多個事務(wù)同時更新同一數(shù)據(jù)時,可能會導(dǎo)致某些事務(wù)的更新被覆蓋,造成數(shù)據(jù)不一致。臟讀一個事務(wù)讀取了另一個尚未提交的事務(wù)修改的數(shù)據(jù),可能會導(dǎo)致事務(wù)數(shù)據(jù)不一致。不可重復(fù)讀一個事務(wù)在同一查詢過程中兩次讀取到的數(shù)據(jù)不一致,是由于另一事務(wù)的提交導(dǎo)致?；米x一個事務(wù)執(zhí)行同樣的查詢兩次,由于另一事務(wù)的插入/刪除,查詢結(jié)果不一致。丟失修改何謂丟失修改丟失修改是指當(dāng)兩個事務(wù)同時更新同一數(shù)據(jù)時,后一個事務(wù)的更新結(jié)果會把前一個事務(wù)的更新覆蓋掉。這會導(dǎo)致前一個事務(wù)的工作成果丟失。引發(fā)問題丟失修改會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致,破壞了事務(wù)的ACID特性中的一致性。這可能會給業(yè)務(wù)帶來嚴重的后果。臟讀未提交數(shù)據(jù)訪問臟讀指一個事務(wù)讀取了另一個未提交事務(wù)修改的數(shù)據(jù)，這樣讀取的數(shù)據(jù)可能會被回滾而成為無效數(shù)據(jù)。潛在的數(shù)據(jù)不一致臟讀會導(dǎo)致讀取到不符合一致性要求的數(shù)據(jù)，可能會產(chǎn)生錯誤的分析和決策。隔離級別的作用通過設(shè)置合適的隔離級別，可以有效地避免臟讀的發(fā)生，保證數(shù)據(jù)的一致性。不可重復(fù)讀定義不可重復(fù)讀是指在同一事務(wù)中,多次讀取同一數(shù)據(jù),但由于其他事務(wù)的修改和提交,每次讀取到的數(shù)據(jù)都不一樣。問題描述一個事務(wù)在兩次查詢之間,另一個事務(wù)對數(shù)據(jù)進行了修改并提交,導(dǎo)致同一事務(wù)的兩次讀取得到不同的結(jié)果。危害不可重復(fù)讀會導(dǎo)致讀取數(shù)據(jù)的不一致性,嚴重影響應(yīng)用程序的邏輯和正確性。解決方案使用較高的隔離級別,如可重復(fù)讀或串行化,可以有效避免不可重復(fù)讀的問題?；米x1定義幻讀是指事務(wù)在執(zhí)行過程中讀取了別的事務(wù)尚未提交的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致讀取的數(shù)據(jù)與實際不符的問題。2發(fā)生原因多個事務(wù)同時讀寫同一數(shù)據(jù)，事務(wù)A讀取了事務(wù)B尚未提交的修改數(shù)據(jù)，從而出現(xiàn)了幻讀問題。3危害幻讀會導(dǎo)致事務(wù)的結(jié)果不一致和數(shù)據(jù)的不可靠，從而給數(shù)據(jù)庫帶來嚴重的隱患。4解決方法將事務(wù)隔離級別設(shè)置為可重復(fù)讀(RepeatableRead)可以有效地避免幻讀的問題。隔離級別讀未提交最低級別的隔離級別，事務(wù)可以讀取其他事務(wù)尚未提交的數(shù)據(jù)，存在臟讀問題。讀已提交事務(wù)只能讀取已提交的數(shù)據(jù)，避免了臟讀問題，但可能出現(xiàn)不可重復(fù)讀問題?？芍貜?fù)讀保證在同一事務(wù)中多次讀取同樣數(shù)據(jù)結(jié)果一致，避免了不可重復(fù)讀問題，但可能出現(xiàn)幻讀。串行化最高級別的隔離級別，通過串行執(zhí)行事務(wù)來避免所有并發(fā)問題，但性能會受到影響。讀未提交概念解釋讀未提交隔離級別允許一個事務(wù)讀取另一個事務(wù)尚未提交的數(shù)據(jù)。這是最低的隔離級別,但也帶來了臟讀的風(fēng)險。應(yīng)用場景讀未提交通常用于需要快速響應(yīng)的系統(tǒng),如即時聊天應(yīng)用程序,因為它可以立即看到更新,但缺乏數(shù)據(jù)的一致性保證。讀已提交隔離性及并發(fā)控制讀已提交隔離級別能夠避免臟讀問題,但可能出現(xiàn)不可重復(fù)讀的問題。這種隔離級別下,事務(wù)可以讀取其他已提交事務(wù)修改過的數(shù)據(jù)。事務(wù)并發(fā)讀已提交隔離級別可以有效控制事務(wù)并發(fā)沖突,但仍可能出現(xiàn)其他問題,需要根據(jù)實際應(yīng)用場景選擇合適的隔離級別。性能與安全性權(quán)衡讀已提交隔離級別在性能和安全性之間做出了一定程度的折中,可以在一定程度上避免臟讀問題,同時也提高了系統(tǒng)的并發(fā)性能?？芍貜?fù)讀加強隔離可重復(fù)讀隔離級別為事務(wù)在整個執(zhí)行期間，讀取數(shù)據(jù)的結(jié)果是一致的?？煺兆x取可重復(fù)讀通過創(chuàng)建數(shù)據(jù)副本來實現(xiàn)事務(wù)的一致性視圖，防止出現(xiàn)不可重復(fù)讀問題。一致性保證可重復(fù)讀隔離級別提供了更高的數(shù)據(jù)一致性保證，確保事務(wù)在整個執(zhí)行期間看到的數(shù)據(jù)是一致的。串行化串行控制串行化確保事務(wù)以特定的順序執(zhí)行,避免并發(fā)問題,但可能會降低系統(tǒng)吞吐量。串行可串行化串行可串行化是指一個調(diào)度可以等價地轉(zhuǎn)換為一個串行調(diào)度,保證事務(wù)的隔離性。沖突可串行化沖突可串行化是一種更弱的可串行化,但能夠更好地平衡隔離性和并發(fā)性。依賴分析通過分析事務(wù)之間的讀寫依賴關(guān)系,可以確定安全的調(diào)度順序,避免并發(fā)問題。鎖的種類1共享鎖（共讀鎖）允許多個事務(wù)同時讀取同一資源。讀鎖之間是兼容的，但讀鎖與寫鎖之間是互斥的。2排他鎖（獨占鎖）只允許一個事務(wù)對數(shù)據(jù)進行讀取和修改。讀鎖與寫鎖、寫鎖與寫鎖之間都是互斥的。3意向鎖用于表示事務(wù)打算在某個級別上獲取鎖。意向鎖分為意向共享鎖和意向排他鎖。4自動鎖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動加鎖而無需用戶干預(yù)。包括隱式鎖和顯式鎖。共享鎖定義共享鎖允許多個事務(wù)同時讀取同一數(shù)據(jù)資源,互不干擾。當(dāng)一個事務(wù)獲得共享鎖后,其他事務(wù)也可以獲得共享鎖并進行讀取操作。特點共享鎖是一種讀鎖,多個事務(wù)可以同時持有共享鎖。共享鎖保護了數(shù)據(jù)的一致性,避免了讀取操作的相互干擾。應(yīng)用場景當(dāng)事務(wù)只需要讀取數(shù)據(jù)而不需要修改時,可以申請共享鎖。共享鎖可以提高并發(fā)性,提升系統(tǒng)吞吐量。獲取方式在SQL語句中,可以使用LOCKINSHAREMODE或FORSHARE關(guān)鍵字來獲取共享鎖。排他鎖獨占鎖排他鎖也稱為獨占鎖。當(dāng)一個事務(wù)獲得一個資源的排他鎖時，其他事務(wù)不能再對該資源進行讀取或修改操作。沖突解決排他鎖可有效解決并發(fā)環(huán)境下的讀寫沖突和寫寫沖突。但需要合理設(shè)計鎖獲取策略以提高系統(tǒng)并發(fā)性。數(shù)據(jù)保護排他鎖可確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。但過度使用會導(dǎo)致性能下降和死鎖問題。需權(quán)衡并發(fā)性和數(shù)據(jù)安全。意向鎖意向鎖概述意向鎖是一種特殊的共享鎖和排他鎖,用于在多級鎖結(jié)構(gòu)中保護更高級別的鎖。通過建立鎖的層次關(guān)系,可以提高并發(fā)性和事務(wù)效率。意向鎖層級意向鎖分為意向共享鎖(IS)和意向排他鎖(IX)兩種,分別用于保護共享鎖和排他鎖。鎖的層次從低到高依次為IS、S、IX、X。意向鎖應(yīng)用當(dāng)一個事務(wù)需要對表進行全部或部分加鎖時,會首先獲取意向鎖,然后再獲取所需的共享鎖或排他鎖。這樣可以減少不必要的鎖沖突和死鎖。樂觀并發(fā)控制樂觀的假設(shè)樂觀并發(fā)控制基于這樣一種假設(shè):沖突發(fā)生的概率很低,不需要加鎖就可以有效避免。無鎖更新使用樂觀并發(fā)控制時,事務(wù)可以無鎖地執(zhí)行讀寫操作,直到事務(wù)結(jié)束時再檢查是否有沖突。沖突檢測當(dāng)事務(wù)提交時,系統(tǒng)會檢查該事務(wù)是否與其他并發(fā)事務(wù)發(fā)生沖突。如果發(fā)生沖突,事務(wù)將被回滾重試。性能優(yōu)勢相比于悲觀并發(fā)控制,樂觀并發(fā)控制避免了過多的加鎖開銷,能夠提高系統(tǒng)的吞吐量。第二版本控制版本管理第二版本控制是一種更高級的版本管理機制,能夠跟蹤并管理文件的變更歷史。沖突解決當(dāng)多個用戶同時修改同一文件時,第二版本控制可自動檢測并解決沖突,保證數(shù)據(jù)的一致性。并發(fā)控制第二版本控制通過并發(fā)控制機制,確保多個用戶可以并行地修改和提交變更而不會相互干擾?；貪L功能第二版本控制允許用戶隨時回滾到之前的任何版本,為開發(fā)提供了安全可靠的環(huán)境。視圖隔離概念解釋視圖隔離是一種并發(fā)控制技術(shù),它通過為每個事務(wù)創(chuàng)建一個獨立的數(shù)據(jù)視圖,使得事務(wù)之間相互隔離,從而避免常見的并發(fā)問題。實現(xiàn)原理視圖隔離通過維護事務(wù)的快照數(shù)據(jù),保證每個事務(wù)看到的數(shù)據(jù)都是一致的,不會受到其他事務(wù)的影響。這種方式可以有效地解決不可重復(fù)讀和幻讀問題。事務(wù)日志事務(wù)日志概述事務(wù)日志是數(shù)據(jù)庫用于保證事務(wù)ACID特性的關(guān)鍵機制。它記錄了數(shù)據(jù)的變更情況,為事務(wù)的提交和回滾提供依據(jù)。重做日志重做日志記錄了對數(shù)據(jù)的更改操作,可以用于在故障恢復(fù)時將數(shù)據(jù)恢復(fù)到特定時間點?；貪L日志回滾日志記錄了事務(wù)執(zhí)行過程中的變更,用于事務(wù)回滾時撤銷這些變更?；貪L日志1記錄未提交的更改回滾日志會記錄事務(wù)在執(zhí)行過程中對數(shù)據(jù)庫所做的所有未提交的修改操作。2支持事務(wù)回滾當(dāng)事務(wù)需要回滾時,可以利用回滾日志中的信息來撤銷之前的修改操作。3提高恢復(fù)效率回滾日志加快了數(shù)據(jù)庫故障恢復(fù)的速度,避免了重做整個事務(wù)的操作。4最小化數(shù)據(jù)損失回滾日志確保了事務(wù)回滾時數(shù)據(jù)的完整性,最大程度地減少了數(shù)據(jù)損失。重做日志數(shù)據(jù)完整性重做日志記錄了已成功提交的事務(wù)操作，用于保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。故障恢復(fù)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以利用重做日志進行前滾操作，恢復(fù)數(shù)據(jù)到正確狀態(tài)。事務(wù)提交重做日志記錄了已提交事務(wù)的變更，可以用于提交后的數(shù)據(jù)恢復(fù)。故障恢復(fù)檢查點定期保存數(shù)據(jù)庫狀態(tài),確保在發(fā)生故障時能快速恢復(fù)。前滾從最近的檢查點開始,重新應(yīng)用后續(xù)的事務(wù)日志,將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。后滾回滾未提交的事務(wù),確保數(shù)據(jù)庫保持一致性和完整性。檢查點定期記錄數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)會定期生成檢查點,將內(nèi)存中的緩存數(shù)據(jù)刷新到磁盤中,確保數(shù)據(jù)的一致性和持久性。數(shù)據(jù)備份檢查點生成時,系統(tǒng)會自動備份數(shù)據(jù)庫的狀態(tài),為后續(xù)的恢復(fù)操作提供依據(jù)?；謴?fù)優(yōu)化當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時,可以從最近的檢查點開始進行恢復(fù),大幅減少恢復(fù)時間和成本。前滾1檢查點定期保存系統(tǒng)狀態(tài)2重做日志重播事務(wù)修改3前滾恢復(fù)從檢查點重建系統(tǒng)前滾恢復(fù)是事務(wù)處理系統(tǒng)故障恢復(fù)的關(guān)鍵步驟。首先需要定期保存系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，即創(chuàng)建檢查點。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以從最近的檢查點開始，重放重做日志中的事務(wù)修改操作，將系統(tǒng)恢復(fù)到故障前的狀態(tài)。這種基于重做日志的前滾恢復(fù)過程可以快速、高效地恢復(fù)系統(tǒng)。后滾1數(shù)據(jù)回滾當(dāng)事務(wù)發(fā)生錯誤或需要撤銷時,后滾可以將數(shù)據(jù)恢復(fù)到事務(wù)開始前的狀態(tài)。2事務(wù)日志回溯通過回滾事務(wù)日志,可以逐步恢復(fù)數(shù)據(jù)到之前的正確狀態(tài)。3