并发控制概要课件

第十一章第十一章 并发控制并发控制并发控制概述活锁和死锁并发调度的可串行性两段锁协议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 飞机定票数据库系统 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问题的产生(1)(1)事务串行执行事务串行执行n n每每个个时时刻刻只只有有一一个个事事务务运运行行，其其他他事事务务必必须须等等到这个事务结束以后方能运行到这个事务结束以后方能运行n n不不能能充充分分利利用用系系统统资资源源，发发挥挥数数据据库库共共享享资资源源的特点的特点v 多事务执行方式：(2)(2)交叉并发方式交叉并发方式(interleaved concurrency)(interleaved concurrency)n n事事务务的的并并行行执执行行是是这这些些并并行行事事务务的的并并行行操操作作轮轮流流交叉运行交叉运行n n是是单单处处理理机机系系统统中中的的并并发发方方式式，能能够够减减少少处处理理机机的空闲时间，提高系统的效率的空闲时间，提高系统的效率可能会存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v 事务并发执行带来的问题：11.1 并发控制概述n n并发控制机制的任务n n对并发操作进行正确调度对并发操作进行正确调度n n保证事务的隔离性保证事务的隔离性n n保证数据库的一致性保证数据库的一致性T1的修改被T2覆盖了！数据不一致实例：飞机订票系统读读A=16AA-3写回写回A=13读读A=16AA-1写回写回A=15事务事务T2事务事务T1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）1.丢失修改丢丢失失修修改改是是指指事事务务1 1与与事事务务2 2从从数数据据库库中中读读入入同同一一数数据据并并修修改改，事事务务2 2的的提提交交结结果果破破坏坏了了事事务务1 1提提交交的的结结果，导致事务果，导致事务1 1的修改被丢失。的修改被丢失。2.不可重复读不不可可重重复复读读是是指指事事务务1 1读读取取数数据据后后，事事务务2 2执执行行更更新新操作，使事务操作，使事务1 1无法再现前一次读取结果。无法再现前一次读取结果。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3.读“脏”数据事事务务1 1修修改改某某一一数数据据，并并将将其其写写回回磁磁盘盘，事事务务2 2读读取取同同一一数数据据后后，事事务务1 1由由于于某某种种原原因因被被撤撤消消，这这时时事事务务1 1已已修修改改过过的的数数据据恢恢复复原原值值，事事务务2 2读读到到的的数数据据就就与与数数据据库库中中的的数数据据不不一一致致，是是不不正正确确的的数数据据，又又称称为为“脏脏”数据。数据。11.2 封锁一、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n nDBMSDBMS通常提供了多种类型的封锁。一个事务对某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。锁的类型决定的。n n基本封锁类型基本封锁类型n n排它锁（排它锁（eXclusivelockeXclusivelock，简记为，简记为X X锁）锁）n n共享锁（共享锁（SharelockSharelock，简记为，简记为S S锁）锁）二、基本封锁类型n n排它锁又称为写锁：若事务排它锁又称为写锁：若事务T T对数据对象对数据对象A A加上加上X X锁，则只允许锁，则只允许T T读取和修改读取和修改A A，其它任何事务都不，其它任何事务都不能再对能再对A A加任何类型的锁，直到加任何类型的锁，直到T T释放释放A A上的锁上的锁共享锁又称为读锁：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11.3 封锁协议n n在运用在运用X X锁和锁和S S锁对数据对象加锁时，需要约定一锁对数据对象加锁时，需要约定一些规则：封锁协议些规则：封锁协议(Locking Protocol(Locking Protocol）n n何时申请何时申请X X锁或锁或S S锁锁n n持锁时间、何时释放持锁时间、何时释放n n不同的封锁协议，在不同的程度上为并发操作的不同的封锁协议，在不同的程度上为并发操作的正确调度提供一定的保证正确调度提供一定的保证n n常用的封锁协议：三级封锁协议常用的封锁协议：三级封锁协议1级封锁协议n n事务事务T T在修改数据在修改数据R R之前必须先对其加之前必须先对其加X X锁，直到锁，直到事务结束才释放事务结束才释放n n正常结束（正常结束（COMMITCOMMIT）n n非正常结束（非正常结束（ROLLBACKROLLBACK）n n1 1级封锁协议可防止丢失修改级封锁协议可防止丢失修改n n在在1 1级封锁协议中，如果是读数据，不需要加锁级封锁协议中，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的，所以它不能保证可重复读和不读“脏脏”数据。数据。没有丢失修改没有丢失修改 读读A=15XlockA获得获得读读A=16AA-1写回写回A=15RollbackUnlockAT2T1读读“脏脏”数据数据XlockB获得获得读读B=100BB*2写回写回B=200CommitUnlockB读读A=50读读B=100求和求和=150读读A=50读读B=200求和求和=250(验算不对验算不对)T2T1不可重复读不可重复读2级封锁协议n n1 1级封锁协议级封锁协议+事务事务T T在读取数据在读取数据R R前必须前必须先加先加S S锁锁，读完后即可释放读完后即可释放S S锁锁n n2 2级封锁协议可以防止丢失修改和读级封锁协议可以防止丢失修改和读“脏脏”数据。数据。n n在在2 2级封锁协议中，由于读完数据后即可释放级封锁协议中，由于读完数据后即可释放S S锁，锁，所以它不能保证可重复读。所以它不能保证可重复读。不可重复读不可重复读SclockA获得获得读读A=50UnlockASclockB获得获得读读B=100UnlockB求和求和=150XlockB等待等待等待等待获得获得XlockB读读B=100BB*2写回写回B=200CommitUnlockBT2T1SclockA获得获得读读A=50UnlockASclockB获得获得读读B=200UnlockB求和求和=250(验算不对验算不对)T2T1(续)3级封锁协议n n1 1级封锁协议级封锁协议+事务事务T T在读取数据在读取数据R R之前必须先之前必须先对其加对其加S S锁，直到锁，直到事务结束才释放事务结束才释放n n3 3级封锁协议可防止丢失修改、读脏数据和不可级封锁协议可防止丢失修改、读脏数据和不可重复读。重复读。T T1 1T T2 2 SlockASlockA读读读读A=50A=50SlockBSlockB读读读读B=100B=100求和求和求和求和=150=150 读读读读A=50A=50读读读读B=100B=100求和求和求和求和=150=150CommitCommitUnlockAUnlockAUnlockBUnlockB XlockBXlockB等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待 等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待获得获得获得获得XlockBXlockB读读读读B=100B=100BB*2BB*2写回写回写回写回B=200B=200CommitCommitUnlockBUnlockB可重复读可重复读 T T1 1T T2 2 XlockCXlockC读读读读C=100C=100CC*2CC*2写回写回写回写回C=200C=200 ROLLBACKROLLBACK(C(C恢复为恢复为恢复为恢复为100)100)UnlockCUnlockC SlockCSlockC等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待获得获得获得获得SlockCSlockC读读读读C=100C=100CommitCCommitCUnlockCUnlockC不读不读“脏脏”数据数据 11.4 活锁和死锁n n封锁技术可以有效地解决并行操作的一致性问题，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但也带来一些新的问题n n死锁死锁n n活锁活锁11.4.1 活锁如何避免活锁采用先来先服务的策略：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当多个事务请求封锁同一数据对象时n n按请求封锁的先后次序对这些事务排队按请求封锁的先后次序对这些事务排队n n该该数数据据对对象象上上的的锁锁一一旦旦释释放放，首首先先批批准准申申请请队列中第一个事务获得锁。队列中第一个事务获得锁。11.4.2 死锁T1 T2 XlockR1.XlockR2等待等待等待等待等待等待.XlockR2.XlockR1等待等待等待等待.解决死锁的方法1.1.预防死锁预防死锁2.2.死锁的诊断与解除死锁的诊断与解除1.死锁的预防n n产生死锁的原因是两个或多个事务都已封锁了一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。的数据对象加锁，从而出现死等待。n n预防死锁的发生就是要破坏产生死锁的条件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预防死锁的方法n n 一次封锁法一次封锁法n n 顺序封锁法顺序封锁法（1）一次封锁法n n要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁，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否则就不能继续执行n n一次封锁法存在的问题：一次封锁法存在的问题：n n降低并发度：将以后要用到的全部数据加锁，势必降低并发度：将以后要用到的全部数据加锁，势必扩大了封锁的范围，从而降低了系统的并发度扩大了封锁的范围，从而降低了系统的并发度n n难于事先精确确定封锁对象：数据库中数据是不断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，所以很难事先精确地确定每个能会变成封锁对象，所以很难事先精确地确定每个事务所要封锁的数据对象。解决方法：将事务在执事务所要封锁的数据对象。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，这就进行过程中可能要封锁的数据对象全部加锁，这就进一步降低了并发度。一步降低了并发度。（2）顺序封锁法n n顺序封锁法是预先对数据对象规定一个封锁顺序，所有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。事务都按这个顺序实行封锁。n n顺序封锁法存在的问题顺序封锁法存在的问题n n维护成本高：数据库系统中可封锁的数据对象极其众维护成本高：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，多，并且随数据的插入、删除等操作而不断地变化，要维护这样极多而且变化的资源的封锁顺序非常困难，要维护这样极多而且变化的资源的封锁顺序非常困难，成本很高成本很高n n难于实现：事务的封锁请求可以随着事务的执行而动难于实现：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，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。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例：规定数据对象的封锁顺序为A,B,C,D,EA,B,C,D,E。事务。事务T3T3起初要求封锁数据对象起初要求封锁数据对象B,C,EB,C,E，但当它封锁了，但当它封锁了B,CB,C后，后，才发现还需要封锁才发现还需要封锁A A，这样就破坏了封锁顺序。，这样就破坏了封锁顺序。n n结论n n在操作系统中广为采用的预防死锁的策略并不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很适合数据库的特点n nDBMSDBMS在解决死锁的问题上更普遍采用的是诊断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并解除死锁的方法2.死锁的诊断与解除n n允许死锁发生n n解除死锁n n由由DBMSDBMS的并发控制子系统定期检测系统中的并发控制子系统定期检测系统中是否存在死锁是否存在死锁n n一旦检测到死锁，就要设法解除一旦检测到死锁，就要设法解除检测死锁：超时法n n如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，就认为发生了死锁就认为发生了死锁n n优点：实现简单优点：实现简单n n缺点缺点n n有可能误判死锁有可能误判死锁n n时限若设置得太长，死锁发生后不能及时时限若设置得太长，死锁发生后不能及时发现发现检测死锁：等待图法n n用事务等待图动态反映所有事务的等待情况用事务等待图动态反映所有事务的等待情况n n事务等待图是一个有向图事务等待图是一个有向图G G=(=(T T，U U)n nT T为结点的集合，每个结点表示正运行的事务为结点的集合，每个结点表示正运行的事务n nU U为边的集合，每条边表示事务等待的情况为边的集合，每条边表示事务等待的情况n n若若T T1 1等待等待T T2 2，则，则T T1 1，T T2 2之间划一条有向边，从之间划一条有向边，从T T1 1指向指向T T2 2n n并发控制子系统周期性地（比如每隔并发控制子系统周期性地（比如每隔1min1min）检测事务等待图，如果发现图中存在回路，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。则表示系统中出现了死锁。n n解除死锁解除死锁n n选择一个处理死锁代价最小的事务，将其撤消，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，使其它事务能继释放此事务持有的所有的锁，使其它事务能继续运行下去。续运行下去。11.5 并发调度的可串行性什么样的并发操作调度是正确的如何保证并发操作的调度是正确的一、什么样的并发操作调度是正确的n n计算机系统对并行事务中并行操作的调度是的随计算机系统对并行事务中并行操作的调度是的随机的，而不同的调度可能会产生不同的结果。机的，而不同的调度可能会产生不同的结果。n n将所有事务串行起来的调度策略一定是正确的调将所有事务串行起来的调度策略一定是正确的调度策略。度策略。n n如果一个事务运行过程中没有其他事务在同时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，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那么就可以认为该事务的运行结果是正常的或者预想的者预想的n n以不同的顺序串行执行事务也有可能会产生不同以不同的顺序串行执行事务也有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，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。所以都可以认为是正确的。n n 几个事务的并行执行是正确的，几个事务的并行执行是正确的，当且仅当其结果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。与按某一次序串行地执行它们时的结果相同。这这种并行调度策略称为可串行化的调度。种并行调度策略称为可串行化的调度。n n可串行性是并行事务正确性的唯一准则可串行性是并行事务正确性的唯一准则例：现在有两个事务，分别包含下列操作：例：现在有两个事务，分别包含下列操作：事务事务1 1：读：读B B；A=B+1A=B+1；写回；写回A A；事务事务2 2：读：读A A；B=A+1B=A+1；写回；写回B B；假设假设A A的初值为的初值为2 2，B B的初值为的初值为2 2。交错执行不可串行化的调度可串行化的调度n n对这两个事务的不同调度策略对这两个事务的不同调度策略n n串行执行串行执行n n串行调度策略串行调度策略1 1n n串行调度策略串行调度策略2 2二、如何保证并发操作的调度是正确的n n为了保证并行操作的正确性，为了保证并行操作的正确性，DBMSDBMS的并行控制机制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。必须提供一定的手段来保证调度是可串行化的。n n从理论上讲，在某一事务执行时禁止其他事务执行从理论上讲，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。它使用户不能充分共享数据库资源。n n保证并发操作调度正确性的方法n n封锁方法：两段锁协议n n时标方法n n乐观方法11.6 两段锁协议n n两段锁协议的内容两段锁协议的内容1.1.在对任何数据进行读、写操作之前，事务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首先要获得对该数据的封锁2.2.在释放一个封锁之后，事务不再获得任何在释放一个封锁之后，事务不再获得任何其他封锁。其他封锁。n n“两段两段”锁的含义锁的含义n n事务分为两个阶段事务分为两个阶段n n 第一阶段是获得封锁，也称为扩展阶段；第一阶段是获得封锁，也称为扩展阶段；n n 第二阶段是释放封锁，也称为收缩阶段第二阶段是释放封锁，也称为收缩阶段。例：例：事务事务1 1的封锁序列：的封锁序列：SlockA.SlockB.XlockC.UnlockB.UnlockSlockA.SlockB.XlockC.UnlockB.UnlockA.UnlockCA.UnlockC；事务事务2 2的封锁序列：的封锁序列：SlockA.UnlockA.SlockB.XlockC.UnlockSlockA.UnlockA.SlockB.XlockC.UnlockC.UnlockBC.UnlockB；事务事务1 1遵守两段锁协议，而事务遵守两段锁协议，而事务2 2不遵守两段协议。不遵守两段协议。n n并行执行的所有事务均遵守两段锁协议，则对并行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。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，其并行执行的结所有遵守两段锁协议的事务，其并行执行的结果一定是正确的果一定是正确的n n事务遵守两段锁协议是可串行化调度的事务遵守两段锁协议是可串行化调度的充分条充分条件件，而不是必要条件，而不是必要条件n n可串行化的调度中，不一定所有事务都必须符可串行化的调度中，不一定所有事务都必须符合两段锁协议。合两段锁协议。T T1 1SlockBSlockB读读读读B=2B=2Y=BY=BXlockAXlockA A=Y+1A=Y+1写回写回写回写回A=3A=3UnlockUnlockB BUnlockUnlockA A T2SlockA等待等待等待等待等待等待等待等待等待等待SlockA读读A=3Y=AXlockBB=Y+1写回写回B=4UnlockBUnlockAT1SlockB读读B=2Y=BUnlockBXlockAA=Y+1写回写回A=3UnlockAT2SlockA等待等待等待等待等待等待等待等待SlockA读读A=3X=AUnlockAXlockBB=X+1写回写回B=4UnlockB(a)遵守两段锁协议遵守两段锁协议(b)不遵守两段锁协议不遵守两段锁协议T1SlockB读读B=2Y=BUnlockBXlockAA=Y+1写回写回A=3UnlockAT2SlockA读读A=2X=AUnlockAXlockB等待等待XlockBB=X+1写回写回B=3UnlockB(c)不遵守两段锁协议不遵守两段锁协议n n两段锁协议与防止死锁的一次封锁法两段锁协议与防止死锁的一次封锁法n n一次封锁法要求每个事务必须一次将所有要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，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因此一次封锁法遵守两段锁协议n n但是两段锁协议并不要求事务必须一次将所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协议的事务可能发生死锁图图 遵守两段锁协议的事务发生死锁遵守两段锁协议的事务发生死锁T1SlockB读读B=2XlockA等待等待等待等待T2SlockA读读A=2XlockA等待等待n n两段锁协议与三级封锁协议两段锁协议与三级封锁协议n n两类不同目的的协议两类不同目的的协议n n两段锁协议两段锁协议n n保证并发调度的正确性保证并发调度的正确性n n三级封锁协议三级封锁协议n n在不同程度上保证数据一致性在不同程度上保证数据一致性n n遵守第三级封锁协议必然遵守两段协议遵守第三级封锁协议必然遵守两段协议小结n n数据共享与数据一致性是一对矛盾数据共享与数据一致性是一对矛盾n n数据库的价值在很大程度上取决于它所能提供的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。数据共享度。n n数据共享在很大程度上取决于系统允许对数据并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。发操作的程度。n n数据并发程度又取决于数据库中的并发控制机制数据并发程度又取决于数据库中的并发控制机制n n另一方面，数据的一致性也取决于并发控制的程另一方面，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度。施加的并发控制愈多，数据的一致性往往愈好。好。n n数据库的并发控制以事务为单位数据库的并发控制以事务为单位n n数据库的并发控制通常使用封锁机制数据库的并发控制通常使用封锁机制n n两类最常用的封锁两类最常用的封锁n n不同级别的封锁协议提供不同的数据一致性保证，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。提供不同的数据共享度。n n三级封锁协议三级封锁协议n n并发控制机制调度并发事务操作是否正确的判别准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则是可串行性n n并发操作的正确性则通常由两段锁协议来保证。并发操作的正确性则通常由两段锁协议来保证。n n两段锁协议是可串行化调度的充分条件，但不是两段锁协议是可串行化调度的充分条件，但不是必要条件必要条件n n对数据对象施加封锁，带来问题对数据对象施加封锁，带来问题n n活锁：先来先服务活锁：先来先服务n n 死锁：死锁：n n预防方法预防方法n n一次封锁法一次封锁法n n顺序封锁法顺序封锁法n n 死锁的诊断与解除死锁的诊断与解除n n超时法超时法n n等待图法等待图法n n不同的数据库管理系统提供的封锁类型、封锁协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。据的基本原理和技术是共同的。总总 结结了解：n n数据库并发控制的必要性数据库并发控制的必要性n n活锁、死锁的概念活锁、死锁的概念n n两段锁协议两段锁协议掌握：并发操作可能产生数据不一致性的三种情况封锁的类型封锁协议重点与难点：封锁协议与数据一致性的关系并发调度的可串行性概念两段锁协议与串行性的关系两段锁协议与死锁的关系结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。WhenYouDoYourBest,FailureIsGreat,SoDonTGiveUp,StickToTheEnd谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItSAnHonorToWalkWithYouAllTheWay演讲人：XXXXXX时间：XX年XX月XX日