學(xué)習(xí)情境5 數(shù)據(jù)庫控制技術(shù)

1、n任務(wù)二 事物的特性n事務(wù)具有4個(gè)特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）和持續(xù)性（Durability），簡稱為ACID特性。子學(xué)習(xí)情境二 并發(fā)控制技術(shù)n任務(wù)一 并發(fā)操作帶來的不一致性n并發(fā)操作帶來的數(shù)據(jù)不一致問題包括3類：丟失修改（Lost Update）、讀“臟”數(shù)據(jù)（Dirty Read）、不可重復(fù)讀（Non-Repeatable Read）。n1丟失修改n假設(shè)在售票系統(tǒng)中有如下操作序列：n甲售票點(diǎn)（甲事務(wù)）讀出某車次的剩余車票張數(shù)d，設(shè)d=50。n乙售票點(diǎn)（乙事務(wù)）讀出同一車次的剩余車票張數(shù)d，同樣為50。n甲售票點(diǎn)售出一張車

2、票，修改剩余車票張數(shù)dd-1，所以d為49，把d寫回?cái)?shù)據(jù)庫。n乙售票點(diǎn)也賣出一張車票，修改剩余車票張數(shù)dd-1，所以d為49，把d寫回?cái)?shù)據(jù)庫 。n3不可重復(fù)讀n不可重復(fù)讀是指甲事務(wù)讀取數(shù)據(jù)后，乙事務(wù)執(zhí)行更新操作，使甲無法再現(xiàn)前一次讀取結(jié)果。具體地講，不可重復(fù)讀包括3種情況：n甲事務(wù)讀取某一數(shù)據(jù)后，乙事務(wù)對(duì)其做了修改，當(dāng)甲事務(wù)再次讀該數(shù)據(jù)時(shí)，得到與前一次不同的值。n甲事務(wù)按一定條件從數(shù)據(jù)庫中讀取了某些數(shù)據(jù)記錄后，乙事務(wù)刪除了其中部分記錄，當(dāng)甲事務(wù)再次按相同條件讀取數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些記錄神秘地消失了。n甲事務(wù)按一定條件從數(shù)據(jù)庫中讀取某些數(shù)據(jù)記錄后，乙事務(wù)插入了一些記錄，當(dāng)甲事務(wù)再次按相同條件讀取數(shù)據(jù)

3、時(shí)，發(fā)現(xiàn)多了一些記錄。n任務(wù)二 基于封鎖的并發(fā)控制技術(shù)n1三級(jí)封鎖協(xié)議n（1）一級(jí)封鎖協(xié)議：事務(wù)T在修改數(shù)據(jù)R之前必須先對(duì)其加X鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。事務(wù)結(jié)束包括正常結(jié)束（COMMIT）和非正常結(jié)束（ROLLBACK）。n（2）二級(jí)封鎖協(xié)議：一級(jí)封鎖協(xié)議加上事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對(duì)其加S鎖，讀完后即可釋放S鎖。n二級(jí)封鎖協(xié)議除防止了丟失修改外，還可進(jìn)一步防止讀“臟”數(shù)據(jù)。n（3）三級(jí)封鎖協(xié)議：一級(jí)封鎖協(xié)議加上事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對(duì)其加S鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。n2兩段鎖協(xié)議n所謂兩段鎖協(xié)議是指所有事務(wù)必須分兩個(gè)階段對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)加鎖和解鎖。n（1）在對(duì)任何數(shù)據(jù)進(jìn)行讀、寫操作之前，首先

4、要申請并獲得對(duì)該數(shù)據(jù)的封鎖。n（2）在釋放一個(gè)封鎖之后，事務(wù)不再申請和獲得任何其他封鎖。n“兩段”鎖的含義是，事務(wù)分為兩個(gè)階段。第一階段是獲得封鎖，也稱為擴(kuò)展階段。在這個(gè)階段，事務(wù)可以申請獲得任何數(shù)據(jù)項(xiàng)上的任何類型的鎖，但是不能釋放任何鎖。第二階段是釋放封鎖，也稱為收縮階段。在這個(gè)階段，事務(wù)可以釋放任何數(shù)據(jù)項(xiàng)上的任何類型的鎖，但是不能再申請任何鎖。n任務(wù)三 活鎖和死鎖n1活鎖n如果事務(wù)T1封鎖了數(shù)據(jù)R，事務(wù)T2又請求封鎖R，于是T2等待。T3也請求封鎖R，當(dāng)T1釋放了R上的封鎖之后系統(tǒng)首先批準(zhǔn)了T3的請求，T2仍然等待。然后T4又請求封鎖R，當(dāng)T3釋放了R上的封鎖之后系統(tǒng)又批準(zhǔn)了T4的請求T2

5、有可能永遠(yuǎn)等待，這就是活鎖的情形 n2死鎖n如果事務(wù)T1封鎖了數(shù)據(jù)R1，T2封鎖了數(shù)據(jù)R2，然后T1又請求封鎖R2，因T2已封鎖了R2，于是T1等待T2釋放R2上的鎖。接著T2又申請封鎖R1，因T1已封鎖了R1，T2也只能等待T1釋放R1上的鎖。這樣就出現(xiàn)了T1在等待T2，而T2又在等待T1的局面，T1和T2兩個(gè)事務(wù)永遠(yuǎn)不能結(jié)束，形成死鎖 n（1）死鎖的預(yù)防。n在數(shù)據(jù)庫中，產(chǎn)生死鎖的原因是兩個(gè)或多個(gè)事務(wù)都已封鎖了一些數(shù)據(jù)對(duì)象，然后又都請求對(duì)已為其他事務(wù)封鎖的數(shù)據(jù)對(duì)象加鎖，從而出現(xiàn)死等待。防止死鎖的發(fā)生其實(shí)就是要破壞產(chǎn)生死鎖的條件。預(yù)防死鎖通常有兩種方法：一次封鎖法和順序封鎖法。n1）一次封鎖法

6、。一次封鎖法要求每個(gè)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 n2）順序封鎖法。順序封鎖法是預(yù)先對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象規(guī)定一個(gè)封鎖順序，所有事務(wù)都按這個(gè)順序?qū)嵭蟹怄i。例如在表5-9中，可規(guī)定封鎖的順序?yàn)镽1、R2，T1和T2都必須按這個(gè)順序封鎖，即T2也必須先封鎖R1。當(dāng)T2請求封鎖R1時(shí)，由于T1已經(jīng)封鎖了R1，所以T2只能等待，等T1釋放R1、R2上的鎖后，T2繼續(xù)執(zhí)行。這樣就不會(huì)發(fā)生死鎖。n（2）死鎖的診斷與解除。n數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中診斷死鎖一般使用超時(shí)法或事務(wù)等待圖法。n1）超時(shí)法。如果一個(gè)事務(wù)的等待時(shí)間超過了規(guī)定的時(shí)限，就認(rèn)為發(fā)生了死鎖。超時(shí)法實(shí)現(xiàn)簡單，但其不足之處也很明顯。一是有可

7、能誤判死鎖，事務(wù)因?yàn)槠渌蚴沟却龝r(shí)間超過時(shí)限，系統(tǒng)會(huì)誤認(rèn)為發(fā)生了死鎖。二是時(shí)限若設(shè)置得太長，死鎖發(fā)生后不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)。n2）事務(wù)等待圖法。事務(wù)等待圖是一個(gè)有向圖G=(T,U)。T為節(jié)點(diǎn)的集合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示正在運(yùn)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和T2之間劃一條有向邊，從T1指向T2。事務(wù)等待圖動(dòng)態(tài)地反映了所有事務(wù)的等待情況。并發(fā)控制子系統(tǒng)周期性地檢測事務(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。DBMS的并發(fā)控制子系統(tǒng)一旦檢測到系統(tǒng)中存在死鎖，就要設(shè)法解除。通常采用的方法是選擇一個(gè)處理死鎖代價(jià)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

8、他事務(wù)得以繼續(xù)運(yùn)行下去。當(dāng)然，對(duì)撤消的事務(wù)所執(zhí)行的數(shù)據(jù)修改操作必須加以恢復(fù)。子學(xué)習(xí)情境三 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)n任務(wù)一 數(shù)據(jù)庫可能出現(xiàn)的故障種類n數(shù)據(jù)庫可能出現(xiàn)的故障有以下幾種：n（1）事務(wù)內(nèi)部故障。n事務(wù)內(nèi)部故障是指事務(wù)在運(yùn)行過程中由于種種原因，如運(yùn)算溢出、并發(fā)事務(wù)、發(fā)生死鎖等，使事務(wù)未運(yùn)行至終止點(diǎn)就中途夭折的情況。事務(wù)內(nèi)部故障有的是可以通過事務(wù)本身發(fā)現(xiàn)的，有的是非預(yù)期的，不能由事務(wù)本身處理。事務(wù)故障可能使數(shù)據(jù)庫處于不正確狀態(tài)，恢復(fù)程序要在不影響其他事務(wù)運(yùn)行的前提下強(qiáng)行回滾該事務(wù)，即撤消該事務(wù)已經(jīng)做出的任何對(duì)數(shù)據(jù)庫的修改，使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到該事務(wù)未發(fā)生前的正確狀態(tài)。n事務(wù)內(nèi)部更多的故障是非預(yù)期的，是不

9、能由事務(wù)本身處理的。例如，運(yùn)算溢出、多個(gè)并發(fā)執(zhí)行的事務(wù)因發(fā)生“死鎖”而被選中撤消該事務(wù)、違反了某些完整性限制等。n（2）系統(tǒng)故障。n系統(tǒng)故障是指在系統(tǒng)運(yùn)行過程中造成系統(tǒng)停止運(yùn)行的任何事件，使得系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)。系統(tǒng)故障稱為軟故障，如一些特定的硬件錯(cuò)誤，如CPU故障、操作系統(tǒng)故障、突然停電等。這類故障影響正在運(yùn)行的所有事務(wù)，但不破壞數(shù)據(jù)庫。發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，主存內(nèi)容尤其是數(shù)據(jù)庫緩沖區(qū)（在內(nèi)存）中的內(nèi)容都將丟失，所有運(yùn)行事務(wù)都被非正常終止。發(fā)生系統(tǒng)故障時(shí)，一些尚未完成的事務(wù)的結(jié)果可能已送入物理數(shù)據(jù)庫，有些已完成的事務(wù)可能有一部分甚至全部留在緩沖區(qū)，尚未寫回到物理存儲(chǔ)設(shè)備中，從而造成數(shù)據(jù)庫處于不正確的

10、狀態(tài)。n（3）介質(zhì)故障。n介質(zhì)故障又稱為硬故障。硬故障指外存故障，即存放物理數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)設(shè)備發(fā)生不可預(yù)知的故障。這類故障將破壞整個(gè)數(shù)據(jù)庫或部分?jǐn)?shù)據(jù)庫，并影響正在存取這部分?jǐn)?shù)據(jù)的所有事務(wù)。此類故障比事務(wù)故障和系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性要小，但一旦發(fā)生破壞性極大。n（4）計(jì)算機(jī)病毒。n計(jì)算機(jī)病毒是具有破壞性，可以自我復(fù)制的計(jì)算機(jī)程序。計(jì)算機(jī)病毒已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要威脅，同時(shí)也威脅著數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全。因此，數(shù)據(jù)庫一旦被病毒破壞，需要用數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。n任務(wù)二 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)技術(shù)n一個(gè)好的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS應(yīng)該能夠?qū)?shù)據(jù)庫從不正確的狀態(tài)（因出現(xiàn)故障）恢復(fù)到最近一個(gè)正確的狀態(tài)，DBMS的這種能力

11、稱為“可恢復(fù)性”。n恢復(fù)機(jī)制涉及的兩個(gè)關(guān)鍵問題是：n如何建立冗余數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)庫的重復(fù)存儲(chǔ)。n如何利用這些冗余數(shù)據(jù)實(shí)施數(shù)據(jù)庫恢復(fù)。n建立冗余數(shù)據(jù)最常用的技術(shù)是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)和登記日志文件。通常在一個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，這兩種方法一起使用。n 1數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)n數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)是指數(shù)據(jù)庫管理員DBA定期地將整個(gè)數(shù)據(jù)庫復(fù)制到磁帶或另一個(gè)磁盤上保存起來的過程。這些備用的數(shù)據(jù)文本稱為后備副本或后援副本。n當(dāng)數(shù)據(jù)庫遭到破壞后可以將后備副本重新裝入，但重裝后備副本只能將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)的狀態(tài)，要想恢復(fù)到故障發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，必須重新運(yùn)行轉(zhuǎn)儲(chǔ)以后的所有更新事務(wù)。轉(zhuǎn)儲(chǔ)是十分耗費(fèi)時(shí)間和資源的，不能頻繁進(jìn)行。DBA應(yīng)該根據(jù)數(shù)據(jù)庫使用情況確定一

12、個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)儲(chǔ)周期。n2登記日志文件n（1）日志文件的格式和內(nèi)容。n（2）日志文件的作用。n（3）登記日志文件（Logging）。n任務(wù)三 數(shù)據(jù)庫恢復(fù)策略n當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)，利用數(shù)據(jù)庫后備副本和日志文件就可以將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到故障前的某個(gè)一致性狀態(tài)。不同故障其恢復(fù)策略和方法也不一樣。n1事務(wù)故障的恢復(fù)n事務(wù)故障是指事務(wù)在運(yùn)行至正常終止點(diǎn)前被終止，這時(shí)恢復(fù)子系統(tǒng)應(yīng)利用日志文件撤消此事務(wù)已對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行的修改。事務(wù)故障的恢復(fù)是由系統(tǒng)自動(dòng)完成的，對(duì)用戶是透明的。系統(tǒng)的恢復(fù)步驟如下：n（1）反向掃描文件日志（即從最后向前掃描日志文件），查找該事務(wù)的更新操作。n（2）對(duì)該事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作，即將

13、日志記錄中“更新前的值”寫入數(shù)據(jù)庫。這樣，如果記錄中是插入操作，則相當(dāng)于做刪除操作（因此時(shí)“更新前的值”為空）；若記錄中是刪除操作，則做插入操作；若是修改操作，則相當(dāng)于用修改前的值代替修改后的值。n（3）繼續(xù)反向掃描日志文件，查找該事務(wù)的其他更新操作，并做同樣處理。n（4）如此處理下去， n2系統(tǒng)故障的恢復(fù)n系統(tǒng)的恢復(fù)步驟如下：n（1）正向掃描日志文件（即從頭掃描日志文件），找出在故障發(fā)生前已經(jīng)提交的事務(wù)，將其事務(wù)標(biāo)識(shí)記入重做隊(duì)列。通過查找出故障發(fā)生時(shí)尚未完成提交的事務(wù)，將其事務(wù)標(biāo)識(shí)記入撤消隊(duì)列。n（2）對(duì)撤消隊(duì)列中的各個(gè)事務(wù)進(jìn)行撤消回滾處理。進(jìn)行撤消回滾處理的方法是，反向掃描日志文件，對(duì)每個(gè)

14、撤消事務(wù)的更新操作執(zhí)行逆操作，即將日志記錄中“更新前的值”寫入數(shù)據(jù)庫。n（3）對(duì)重做隊(duì)列中的各個(gè)事務(wù)進(jìn)行重做處理。進(jìn)行重做處理的方法是，正向掃描日志文件，對(duì)每個(gè)重做事務(wù)重新執(zhí)行日志文件登記的操作。即將日志記錄中“更新后的值”寫入數(shù)據(jù)庫。 n3介質(zhì)故障的恢復(fù)n發(fā)生介質(zhì)故障后，磁盤上的物理數(shù)據(jù)和日志文件被破壞，這是最嚴(yán)重的一種故障，恢復(fù)方法是重裝數(shù)據(jù)庫，然后重做已完成的事務(wù)。具體地說就是：n（1）裝入最新的數(shù)據(jù)庫后備副本（離故障發(fā)生時(shí)刻最近的轉(zhuǎn)儲(chǔ)副本），使數(shù)據(jù)庫恢復(fù)到最近一次轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)的一致性狀態(tài)。對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫副本，還需要同時(shí)裝入轉(zhuǎn)儲(chǔ)開始時(shí)刻的日志文件副本，利用恢復(fù)系統(tǒng)故障的方法才能將數(shù)據(jù)庫恢

15、復(fù)到一致性狀態(tài)。n（2）裝入相應(yīng)的日志文件副本（轉(zhuǎn)儲(chǔ)結(jié)束時(shí)刻的日志文件副本），重做已完成的事務(wù)。即首先掃描日志文件，找出故障發(fā)生時(shí)已提交的事務(wù)的標(biāo)識(shí)，將其記入重做隊(duì)列。然后正向掃描日志文件，對(duì)重做隊(duì)列中的所有事務(wù)進(jìn)行重做處理。即將日志記錄中“更新后的值”寫入數(shù)據(jù)庫。這樣就可以將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)至故障前某一時(shí)刻的一致狀態(tài)了。拓展知識(shí) 數(shù)據(jù)庫新技術(shù)n一、數(shù)據(jù)庫技術(shù)發(fā)展情況n數(shù)據(jù)庫技術(shù)最初產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代中期，根據(jù)數(shù)據(jù)模型的發(fā)展，可以劃分為以下幾個(gè)階段：n（1）第一代的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是層次模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和網(wǎng)狀模型的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。層次數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型是有根的定向有序樹，網(wǎng)狀模型對(duì)應(yīng)的是有向圖。這兩種數(shù)據(jù)庫

16、奠定了現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫發(fā)展的基礎(chǔ)。n（2）第二代的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要特征是支持關(guān)系數(shù)據(jù)模型。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型及其理論是在20世紀(jì)70年代由E.F.Codd提出的，最初并未引起重視，但是后來人們逐漸發(fā)現(xiàn)了它的重要性，現(xiàn)在它已從理論研究走向系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，占據(jù)了數(shù)據(jù)庫市場的主流地位。n（3）第三代的數(shù)據(jù)庫以面向?qū)ο竽Ｐ蜑橹饕卣鳌?n二、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)n面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法使用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言可以更好地描述客觀世界，以及事物之間的聯(lián)系，更加清晰地模擬客觀現(xiàn)實(shí)世界。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：n（1）客觀世界是由很多具體的事物構(gòu)成，并且每個(gè)事物都具有兩個(gè)性質(zhì)，一個(gè)為靜態(tài)的，一個(gè)為動(dòng)態(tài)的。n（2）客觀

17、世界中的很多事物具有相同的特性，也就是說，很多事物具有共同性，一般將具有相同特性的事物劃為一類n（3）在同一類事物中，每個(gè)事物又具有其區(qū)別于其他同類事物的獨(dú)特的個(gè)性。n（4）客觀世界中的每個(gè)事物都是一個(gè)獨(dú)立的整體，外界一般很少關(guān)心事物的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。n（5）客觀世界中的每個(gè)事物都不是孤立的，事物和事物之間可能會(huì)發(fā)生這樣或者那樣的聯(lián)系，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中使用對(duì)象與對(duì)象之間的消息機(jī)制來實(shí)現(xiàn)事物之間的聯(lián)系。n三、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)n1集中式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)n2分散式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)n3分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)n四、主動(dòng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)n為了有效地支持ECA規(guī)則，主動(dòng)數(shù)據(jù)庫的研究主要集中解決以下幾個(gè)問題：n（1）主動(dòng)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)

18、模型和知識(shí)模型。n（2）執(zhí)行模型。n（3）條件檢測。n（4）事務(wù)調(diào)度。n（5）體系結(jié)構(gòu)。n（6）系統(tǒng)效率。n五、并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)n個(gè)并行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下目標(biāo)：n（1）高性能。n（2）高安全性。n（3）可擴(kuò)充性。 n六、數(shù)據(jù)倉庫及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)n1數(shù)據(jù)倉庫n（1）數(shù)據(jù)倉庫是面向主題的。 n（2）數(shù)據(jù)倉庫是集成的。 n（3）數(shù)據(jù)倉庫是相對(duì)穩(wěn)定的。 n（4）數(shù)據(jù)倉庫是反映歷史變化的。 n2聯(lián)機(jī)分析處理技術(shù)及工具n聯(lián)機(jī)事務(wù)處理（OLTP，On-Line Transaction Processing）是操作人員和底層管理人員利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)查詢、刪除、更新等操作，完成事務(wù)處理工作。n聯(lián)機(jī)分析處理（OLAP，On-Line Analytical Processing）是決策人員和高層管理人員對(duì)數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行信息分