【数据库】数据库基于封锁机制的调度器,使冲突可串行化,保障事务和调度一致性

封锁使可串行化

专栏内容

  • 手写数据库toadb
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文章目录

  • 封锁使可串行化
  • 前言
  • 概述
  • 封锁调度器
  • 两阶段封锁
    • 原理
    • 分析
  • 死锁
  • 总结
  • 结尾

前言

随着信息技术的飞速发展,数据已经渗透到各个领域,成为现代社会最重要的资产之一。在这个大数据时代,数据库理论在数据管理、存储和处理中发挥着至关重要的作用。然而,很多读者可能对数据库理论感到困惑,不知道如何选择合适的数据库,如何设计有效的数据库结构,以及如何处理和管理大量的数据。因此,本专栏旨在为读者提供一套全面、深入的数据库理论指南,帮助他们更好地理解和应用数据库技术。

数据库理论是研究如何有效地管理、存储和检索数据的学科。在现代信息化社会中,数据量呈指数级增长,如何高效地处理和管理这些数据成为一个重要的问题。同时,随着云计算、物联网、大数据等新兴技术的不断发展,数据库理论的重要性日益凸显。

因此,本专栏的分享希望可以提高大家对数据库理论的认识和理解,对于感兴趣的朋友带来帮助。

概述

数据库并发控制,最常用的调度器结构,就是在数据库访问元素上加锁,防止非串行化的行为。

简单来讲,就是事务访问某个元素,先获取它的锁,避免其它事务的非串行化访问。

本文就来介绍这种通过封锁的模式,让调度器产生可串行化动作序列,以及它存在的问题。

在并发编程中,我们会接触到很多类型的系统变量,可以让我们对某一代码区域串行化执行,同样数据库中也会使用这些系统变量来实现数据库中的锁。

使得被锁保护的数据库元素,只能以串行的方式访问,在访问之前获取锁,如果获取不同,只能等待或者中止,获取到锁的就可以进行操作,操作完后释放锁。
在实际的数据库中,会有多种锁的类型,这在以后会进行详细介绍。

对于调度器使用锁时,必须在两种结构上都要保持正确:

  • 事务结构,

一是只有在加锁后,释放锁前,才能进行读写操作;
二是如果加锁了某个元素,那么使用后必须释放锁;

  • 调度结构

同一元素只能被一个事务加锁;而另一尝试加锁事务,要么中止,要么等待;这在不同的数据库实现不一样。

封锁调度器

下图展示了一个封锁的调度器模型架构。
在这里插入图片描述

我们来用一个简单的锁模型介绍一下,假如对于每个数据库元素我们只有一种锁,必须获取锁后才能进行读写,使用完后释放锁。

为了调度器进行决策,调度器有一个锁表,记录了每个数据库元元系的锁状态,如果其上有锁,说明有事务正在使用该数据库元素,其它事务不能访问。

  • 举例如下:
事务T1事务T2数据A数据B
2525
lock(A); read(A);
A = A + 100
write(A); unlock(A);125
lock(A), read(A)
A = A*2
write(A);unlock(A)250
lock(B); read(B);
B = B*2
write(B);unlock(B);50
lock(B); read(B);
B = B + 100
write(B);unlock(B);150

通过这个例子,我们看到一个有趣的现象,虽然调度器已经使事务访问时加了锁,事务对相同的数据库元素也是串行访问,但是最终的调度是不可串行化的,最后状态是不一致的。

说明只是简单封锁,例中的结果不是冲突可串行化的结果。

两阶段封锁

这里介绍一种加锁的条件,叫做两阶段封锁(two-phase locking, 2PL),在这种令人吃惊的条件下,可以保证事务的调度是冲突可串性化的。

原理

两阶段封锁,加解锁需要满足这样的条件:

  • 在每个事务中,所有的封锁请求必须在所有解锁请求之前;

这里就是将事务分为了两个阶段,

  • 第一阶段是封锁阶段,在这个阶段,对需要访问的数据库元素依次加锁;
  • 第二阶段是解锁阶段,这个阶段里,不能再有封锁请求;依次释放锁的过程;

两阶段封锁,像事务一致性一样,对事务中动作顺序进行了限制,符合这一条件的事务,叫做两阶段封锁事务。

  • 举例

那我们再来看上面的例子,将它按2PL进行调度之后:

事务T1事务T2数据A数据B
2525
lock(A); read(A);
A = A + 100
write(A); lock(B); unlock(A);125
lock(A), read(A)
A = A*2
write(A);250
lock(B); 被拒绝
read(B);
B = B + 100
write(B);unlock(B);125
lock(B); unlock(A); read(B);
B = B*2
write(B);unlock(B);250

经过符合2PL条件的调度后,我们可以看到最终结果是符合冲突可串行化的,也就是与两个事务串行执行一样的结果。

分析

两阶段封锁是如何发挥作用的呢?

其实我们仔细观察,就会发现,事务执行的顺序与第一次解锁的顺序是一致的,也就是事务按照解锁的顺序串行在每个数据库元素上执行,这样保证了串行执行的效果,达到了冲突可串行化。

当然严格的可以用归纳法进行证明,这里就不再详述了。

死锁

两阶段封锁虽然可以让事务调度达到冲突可串行化,但是它有一个未解的问题——死锁,也就是调度器迫使几个事务等待另一个事务持有的锁,而该事务又需要等待前几个事务持有的锁。

举例如下:

事务T1事务T2数据A数据B
2525
lock(A); read(A);
lock(B); read(B);
A = A + 100
B = B*2
write(A);125
write(B);50
lock(B) 被拒绝
lock(A) 被拒绝

现在,两个事务都不能继续向下进行,都将永远等待,这将在后面的介绍中继续分享,会对这种问题进行解决。

总结

通过封锁的模式,可以让调度器产生冲突可串行化的调度,但是对于每个事务中涉及多个数据库元素的情况时,又存在死锁的风险。

结尾

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