數(shù)據(jù)庫原理與開發(fā)技術 課件 7.2 數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制

7.2數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制本章主要內(nèi)容：（1）事務：事務的概念、事務的ACID性質、事務的狀態(tài)變遷圖（2）數(shù)據(jù)科的并發(fā)控制：并發(fā)操作產(chǎn)生的3類問題、鎖（3）數(shù)據(jù)庫的恢復技術：重復存儲、寫日志（4）數(shù)據(jù)庫的完整性控制：數(shù)據(jù)的正確性、有效性和相容性（5）數(shù)據(jù)庫的安全性控制：合法用法的授權訪問7.2數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制數(shù)據(jù)庫的并發(fā)與操作系統(tǒng)的并發(fā)，兩個概念是有區(qū)別的。在計算機操作系統(tǒng)中，進程（Process）是指內(nèi)存中正在運行的程序。而并發(fā)，是指在同一時間段里，一個CPU執(zhí)行多個進程。一個進程可以分出不同的時間片、執(zhí)行不同的任務，這就是線程（Thread），線程是操作系統(tǒng)能夠進行運算調度的最小邏輯單位。

DBMS屬于多用戶、共享系統(tǒng)，許多事務可能在同一時間對同一數(shù)據(jù)進行操作，這就是“并發(fā)操作”。例如，網(wǎng)上火車票售票系統(tǒng)，如果不加以控制，很多人就會搶購到同一個座位號的火車票。DBMS的并發(fā)控制子系統(tǒng)，就是負責協(xié)調并發(fā)事務執(zhí)行的，它可保證數(shù)據(jù)庫的完整性，同時避免用戶得到不正確的數(shù)據(jù)。

7.2.1并發(fā)操作帶來的3個問題數(shù)據(jù)庫的并發(fā)操作，如果不加以控制，可能會導致下面3個問題。

1.丟失更新假設有2人同時在網(wǎng)上購買同一車次的火車票，甲讀出該列車當前售出的最大票序號為80（記為事務T1），乙讀出該列車當前售出的最大票序號也為80（記為事務T2）。甲開始購買下一張票，票號為81，并將已售出的最大票序號更新為81；此時，乙也開始購買下一張票，票號為81，并將已售出的最大票序號更新為81。兩個事務同時讀取售出的最大票號并進行更新，由于沒有加以控制，導致事務T1的更新被丟失了，結果是2人購買了同一個座位號。如圖7-3（a）所示。

7.2.1并發(fā)操作帶來的3個問題

2.不可重復讀假設有2個事務T1、T2都要操作數(shù)據(jù)項A，T1是將A加10，T2是分別將數(shù)據(jù)項A的值加到數(shù)據(jù)項B、C上。由于緩沖區(qū)空間有限，T2需要分2次讀取A的值。當T2第二次讀取數(shù)據(jù)項A的值時，A的值已經(jīng)被修改了。人們把這種問題，稱為不可重復讀。兩個事務的運行時序如圖7-3（b）所示。

3.讀“臟”數(shù)據(jù)假設事務T1修改了數(shù)據(jù)項A的值并寫回了磁盤，事務T2讀取了A的值后，由于某種原因T1要被撤銷，它修改的值要恢復原值，這樣T2讀取的數(shù)據(jù)A就與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)不一致，這時人們就稱T2讀到的數(shù)據(jù)為“臟”數(shù)據(jù)。如圖7-3（c）所示。

7.2.1并發(fā)操作帶來的3個問題產(chǎn)生上述3類問題的主要原因是并發(fā)操作破壞了事務的隔離性。并發(fā)控制機制就是要采用正確的方式調度并發(fā)操作，使一個事務的執(zhí)行不受其他事務的干擾，從而避免造成數(shù)據(jù)的不一致。時序事務T1事務T2時序事務T1事務T2時序事務T1事務T2t0Read(A)t0Read(A)t0Read(A)t1Read(A)t1Read(A)A=A*2A=A+1A=A+10t1Write(A)t2Write(A)t2Write(A)t2Read(A)A=A+1t3Read(B)t3RollbackT1t3Write(A)B=B+At4Write(B)t5Read(A)t6Read(C)C=C+At7Write(C)（a）丟失更新

（b）不可重復讀

（c）讀“臟”數(shù)據(jù)

7.2.2并發(fā)調度的可串行化那么，什么樣的并發(fā)調度才是正確的？答案是可串行調度。事務的執(zhí)行次序稱為“調度”。如果多個事務依次執(zhí)行，則稱為事務的“串行調度”。如果利用分時的方法同時處理多個事務，則稱為事務的“并發(fā)調度”?！按姓{度”與“可串行調度”是兩個不同的概念。如果有n個事務并發(fā)調度，所有可能的并發(fā)調度總數(shù)遠遠大于n！。這其中，有的并發(fā)調度是正確的，有的并發(fā)調度是錯誤的。

7.2.2并發(fā)調度的可串行化定義7-2多個事務的并行執(zhí)行是正確的，當且僅當其結果與按某一次序串行地執(zhí)行時的結果相同，這種調度策略稱為可串行化（serializable）的調度，否則稱為不可串行化的調度。在所有并發(fā)調度中，可串行化的調度是正確的，不可串行化的調度是錯誤的。如果有n個事務并發(fā)調度，所有可能的并發(fā)調度總數(shù)遠遠大于n！。這其中，有的并發(fā)調度是正確的，有的并發(fā)調度是錯誤的。

7.2.2并發(fā)調度的可串行化例7-2設數(shù)據(jù)項A的初始值為10，事務T1將A的值加8，事務T2將A的值乘以2。如果先T1，再T2，則A的結果為36；如果先T2，再T1，則A的結果為28，這2種串行調度都是正確的。如圖7-4（a）、7-4（b）所示的調度是可串行的，故結果是正確的。而圖7-4（c）所示的調度是不可串行的，故結果是錯誤的。時序事務T1事務T2時序事務T1事務T2時序事務T1事務T2t0Read(A)t0Read(A)t0Read(A)A=A+8A=A*2t1Read(A)t1Write(A)t1Write(A)A=A+8t2Read(A)t2Read(A)t2Write(A)A=A*2A=A+8A=A*2t3Write(A)t3Write(A)t3Write(A)結果A=36結果A=28結果A=20（a）先T1，后T2，串行調度

（b）先T2，后T1，串行調度

（c）不可串行調度

7.2.4封鎖技術并發(fā)控制的主要方法是封鎖（Locking）。定義7-3鎖（lock）是一個與數(shù)據(jù)項相關的變量，對可能應用于該數(shù)據(jù)項上的操作而言，鎖描述了該數(shù)據(jù)項的狀態(tài)。通常在數(shù)據(jù)庫中的每一個數(shù)據(jù)項都有一個鎖。封鎖就是事務T對某個數(shù)據(jù)項操作之前，先向系統(tǒng)發(fā)出請求，對其加鎖，加鎖后事務T就對該數(shù)據(jù)項有了某種控制，在事務T釋放它的鎖之前，其它的事務不能更新此數(shù)據(jù)項。

7.2.4封鎖技術

1.鎖的類型基本的封鎖類型有兩種：排他鎖（ExclusiveLocks，簡稱X鎖）和共享鎖（ShareLocks，簡稱S鎖）。定義7-4排他鎖又稱寫鎖。如果事務T對某個數(shù)據(jù)對象R（可以為數(shù)據(jù)項、記錄、數(shù)據(jù)表甚至整個數(shù)據(jù)庫）加上了X鎖，則只允許事務T讀取和更新數(shù)據(jù)對象R，其它任何事務都不能再對R加任何類型的鎖，直到T釋放R上的鎖。定義7-5共享鎖又稱讀鎖。如果事務T對某個數(shù)據(jù)對象R加上了S鎖，則允許事務T讀取R上的數(shù)據(jù)，但不能更新R上的數(shù)據(jù)。其它事務可以對R加S鎖，但不能加X的鎖。

7.2.4封鎖技術使用X鎖的操作有兩個：（1）申請加X鎖操作：事務T對數(shù)據(jù)R進行寫操作前，必須申請加X鎖成功。如果數(shù)據(jù)R當前沒有任何鎖，則可直接加X鎖；如果數(shù)據(jù)R當前有一把或多把S鎖、但沒有X鎖，則事務T先申請加上一把S鎖，然后等待R上所有別的S鎖全部釋放后，再將自己的S鎖升級為X鎖；如果數(shù)據(jù)R當前有X鎖，則事務只能等待，直到該X鎖釋放為止。（2）釋放X鎖操作：事務T對數(shù)據(jù)R加X鎖成功后，才可以對R進行數(shù)據(jù)更新。直至遇到Commit或Rollback語句，才會釋放X鎖。

7.2.4封鎖技術使用S鎖的操作有兩個：（1）申請加S鎖操作：事務T對數(shù)據(jù)R進行讀操作前，必須申請加S鎖成功。如果數(shù)據(jù)R當前沒有任何鎖、或只有S鎖，則可直接加S鎖；如果數(shù)據(jù)R當前有X鎖，則事務只能等待，直到該X鎖釋放為止。（2）釋放S鎖操作：事務T對數(shù)據(jù)R加S鎖成功后，才可以對R進行數(shù)據(jù)讀取。讀完后，立即釋放S鎖。

7.2.4封鎖技術2.封鎖協(xié)議

在運用S鎖和X鎖對數(shù)據(jù)對象進行加鎖操作時，需要遵循一些規(guī)則，這些規(guī)則稱為封鎖協(xié)議（LockingProtocol）。對封鎖方式采用不同的規(guī)則，就形成不同的封鎖協(xié)議。目前，封鎖協(xié)議分為三級。各級封鎖協(xié)議對并發(fā)操作帶來的丟失更新、不可重復讀、讀“臟”數(shù)據(jù)等不一致問題，可以分不同級別加以解決。（1）一級封鎖協(xié)議事務T在更新數(shù)據(jù)R之前必須先對其加X鎖，直到事務結束才釋放。這就是一級加鎖協(xié)議。它能防止丟失更新，但它不要求讀取數(shù)據(jù)要加S鎖，所以它不能解決不可重復讀和讀“臟”數(shù)據(jù)問題。

7.2.4封鎖技術（2）二級封鎖協(xié)議一級封鎖協(xié)議加上事務T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對其加S鎖，讀完后，立即釋放S鎖。這就是二級加鎖協(xié)議。它能防止丟失更新，也能防止讀“臟”數(shù)據(jù)問題，但由于它讀完立即釋放，故它不能解決不可重復讀問題。（3）三級封鎖協(xié)議在一級封鎖協(xié)議的技術上，加上事務T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對其加S鎖，直到事務結束，才釋放S鎖。這就是三級加鎖協(xié)議。由于它在讀完數(shù)據(jù)后，也不釋放S鎖，使得別的事務無法更新數(shù)據(jù)。故它不但能防止丟失更新、止讀“臟”數(shù)據(jù)問題，還能解決不可重復讀問題。

7.2.5封鎖帶來的問題及解決辦法事務使用封鎖機制后，會產(chǎn)生活鎖、死鎖等問題。

1.活鎖如果事務T1封鎖了數(shù)據(jù)對象R，事務T2又請求封鎖R，于是T2等待。接著事務T3也請求封鎖R。當T1釋放了R上的鎖之后系統(tǒng)先批準了T3的請求，T2仍然等待，然后T4也請求封鎖R。當T3釋放了R上的鎖之后系統(tǒng)先批準了T4的請求…，T2可能永遠等待。這種在多個事務請求對同一數(shù)據(jù)封鎖時，總是某一個用戶等待，得不到封鎖的情況，稱為活鎖。解決活鎖的辦法是采用“先來先服務”的策略，即簡單的排隊方式。

7.2.5封鎖帶來的問題及解決辦法

2.死鎖系統(tǒng)中有兩個或兩個以上的事務都處于等待狀態(tài)，并且每個事務都在等待其中另一個事務解除封鎖，它才能夠繼續(xù)進行下去，結果造成任何一個事務都無法繼續(xù)執(zhí)行。這種情況稱為系統(tǒng)進入了“死鎖”狀態(tài)?？梢杂檬聞找蕾噲D的形式測試系統(tǒng)中是否存在死鎖。圖中用圓圈表示一個事務，箭頭表示事務的依賴關系。如圖7-5所示，事務T1請求加鎖數(shù)據(jù)A，但A已被事務T2封鎖；T2請求加鎖數(shù)據(jù)B，但B已被事務T1封鎖，這樣存在一個循環(huán)，系統(tǒng)進入死鎖狀態(tài)。

7.2.5封鎖帶來的問題及解決辦法

DBMS的并發(fā)控制子系統(tǒng)一旦監(jiān)測到系統(tǒng)中存在死鎖，就要設法解除。常用的方法是選擇一個處理死鎖代價比較小的事務，將其撤銷，釋放此事務持有的所有鎖，使其他事務得以繼續(xù)運行下去。例如，在圖7-6中，撤銷事務T3，即可解除死鎖。圖7-5事務依賴圖

圖7-6事務的有環(huán)依賴圖7.2.6鎖的粒度封鎖對象的大小稱為封鎖粒度。封鎖對象可