《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(kù)操作的基本單元,能確保數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)從一個(gè)一致性狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)一致性狀態(tài)。并發(fā)控制則確保在多個(gè)用戶同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí),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(gè)重要的數(shù)據(jù)庫(kù)管理概念。事務(wù)概述1定義事務(wù)是數(shù)據(jù)庫(kù)中一個(gè)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(gè)操作作為一個(gè)整體執(zhí)行。3特點(diǎn)事務(wù)具有原子性、一致性、隔離性和持久性四大特性,簡(jiǎn)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(chǎng)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(kù)都必須處于一致?tīng)顟B(tài)，滿足完整性約束。隔離性(Isolation)事務(wù)之間相互獨(dú)立執(zhí)行，不會(huì)互相干擾。持久性(Durability)事務(wù)一旦提交或回滾，其結(jié)果就會(huì)永久保存或撤銷，不會(huì)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(guò)程中出現(xiàn)故障，事務(wù)仍然保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)從一種一致?tīng)顟B(tài)轉(zhuǎn)移到另一種一致?tīng)顟B(tài)。事務(wù)的回滾機(jī)制如果事務(wù)中的任何一個(gè)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(kù)返回到事務(wù)開始前的狀態(tài)。事務(wù)日志的作用通過(guò)記錄事務(wù)的變更信息到日志中，可以在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)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(kù)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(huì)違反數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的完整性約束。這意味著事務(wù)必須將數(shù)據(jù)庫(kù)從一個(gè)有效狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)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(shí)現(xiàn)獨(dú)立性隔離性保證了每個(gè)事務(wù)都可以獨(dú)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(wèn)題恰當(dāng)?shù)母綦x級(jí)別可以有效地避免事務(wù)并發(fā)執(zhí)行時(shí)出現(xiàn)的丟失修改、臟讀、不可重復(fù)讀等問(wèn)題。提高并發(fā)性通過(guò)合理的隔離級(jí)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(huì)永久保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,即使系統(tǒng)崩潰或遇到其他故障也不會(huì)丟失。事務(wù)日志的作用通過(guò)記錄事務(wù)操作日志,可以在系統(tǒng)故障時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程中發(fā)生異常,可以通過(guò)事務(wù)回滾機(jī)制撤銷之前的操作,保證數(shù)據(jù)的一致性。并發(fā)控制問(wèn)題丟失修改當(dāng)多個(gè)事務(wù)同時(shí)更新同一數(shù)據(jù)時(shí),可能會(huì)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(gè)事務(wù)讀取了另一個(gè)尚未提交的事務(wù)修改的數(shù)據(jù),可能會(huì)導(dǎo)致事務(wù)數(shù)據(jù)不一致。不可重復(fù)讀一個(gè)事務(wù)在同一查詢過(guò)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。幻讀一個(gè)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(gè)事務(wù)同時(shí)更新同一數(shù)據(jù)時(shí),后一個(gè)事務(wù)的更新結(jié)果會(huì)把前一個(gè)事務(wù)的更新覆蓋掉。這會(huì)導(dǎo)致前一個(gè)事務(wù)的工作成果丟失。引發(fā)問(wèn)題丟失修改會(huì)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(huì)給業(yè)務(wù)帶來(lái)嚴(yán)重的后果。臟讀未提交數(shù)據(jù)訪問(wèn)臟讀指一個(gè)事務(wù)讀取了另一個(gè)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(huì)被回滾而成為無(wú)效數(shù)據(jù)。潛在的數(shù)據(jù)不一致臟讀會(huì)導(dǎo)致讀取到不符合一致性要求的數(shù)據(jù)，可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的分析和決策。隔離級(jí)別的作用通過(guò)設(shè)置合適的隔離級(jí)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(wèn)題描述一個(gè)事務(wù)在兩次查詢之間,另一個(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)導(dǎo)致讀取數(shù)據(jù)的不一致性,嚴(yán)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(jí)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(wèn)題?；米x1定義幻讀是指事務(wù)在執(zhí)行過(guò)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(shí)際不符的問(wèn)題。2發(fā)生原因多個(gè)事務(wù)同時(shí)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(wèn)題。3危害幻讀會(huì)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(kù)帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。4解決方法將事務(wù)隔離級(jí)別設(shè)置為可重復(fù)讀(RepeatableRead)可以有效地避免幻讀的問(wèn)題。隔離級(jí)別讀未提交最低級(jí)別的隔離級(jí)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(wèn)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(wèn)題，但可能出現(xiàn)不可重復(fù)讀問(wèn)題。可重復(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(wèn)題，但可能出現(xiàn)幻讀。串行化最高級(jí)別的隔離級(jí)別，通過(guò)串行執(zhí)行事務(wù)來(lái)避免所有并發(fā)問(wèn)題，但性能會(huì)受到影響。讀未提交概念解釋讀未提交隔離級(jí)別允許一個(gè)事務(wù)讀取另一個(gè)事務(wù)尚未提交的數(shù)據(jù)。這是最低的隔離級(jí)別,但也帶來(lái)了臟讀的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)用場(chǎng)景讀未提交通常用于需要快速響應(yīng)的系統(tǒng),如即時(shí)聊天應(yīng)用程序,因?yàn)樗梢粤⒓纯吹礁?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(jí)別能夠避免臟讀問(wèn)題,但可能出現(xiàn)不可重復(fù)讀的問(wèn)題。這種隔離級(jí)別下,事務(wù)可以讀取其他已提交事務(wù)修改過(guò)的數(shù)據(jù)。事務(wù)并發(fā)讀已提交隔離級(jí)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(wèn)題,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的隔離級(jí)別。性能與安全性權(quán)衡讀已提交隔離級(jí)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(wèn)題,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的并發(fā)性能?？芍貜?fù)讀加強(qiáng)隔離可重復(fù)讀隔離級(jí)別為事務(wù)在整個(gè)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(guò)創(chuàng)建數(shù)據(jù)副本來(lái)實(shí)現(xiàn)事務(wù)的一致性視圖，防止出現(xiàn)不可重復(fù)讀問(wèn)題。一致性保證可重復(fù)讀隔離級(jí)別提供了更高的數(shù)據(jù)一致性保證，確保事務(wù)在整個(gè)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(wèn)題,但可能會(huì)降低系統(tǒng)吞吐量。串行可串行化串行可串行化是指一個(gè)調(diào)度可以等價(jià)地轉(zhuǎn)換為一個(gè)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(guò)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(wèn)題。鎖的種類1共享鎖（共讀鎖）允許多個(gè)事務(wù)同時(shí)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(dú)占鎖）只允許一個(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)級(jí)別上獲取鎖。意向鎖分為意向共享鎖和意向排他鎖。4自動(dòng)鎖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)加鎖而無(wú)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(gè)事務(wù)同時(shí)讀取同一數(shù)據(jù)資源,互不干擾。當(dāng)一個(gè)事務(wù)獲得共享鎖后,其他事務(wù)也可以獲得共享鎖并進(jìn)行讀取操作。特點(diǎn)共享鎖是一種讀鎖,多個(gè)事務(wù)可以同時(shí)持有共享鎖。共享鎖保護(hù)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(chǎng)景當(dāng)事務(wù)只需要讀取數(shù)據(jù)而不需要修改時(shí),可以申請(qǐng)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(yǔ)句中,可以使用LOCKINSHAREMODE或FORSHARE關(guān)鍵字來(lái)獲取共享鎖。排他鎖獨(dú)占鎖排他鎖也稱為獨(dú)占鎖。當(dāng)一個(gè)事務(wù)獲得一個(gè)資源的排他鎖時(shí)，其他事務(wù)不能再對(duì)該資源進(jìn)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(jì)鎖獲取策略以提高系統(tǒng)并發(fā)性。數(shù)據(jù)保護(hù)排他鎖可確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。但過(guò)度使用會(huì)導(dǎo)致性能下降和死鎖問(wèn)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(jí)鎖結(jié)構(gòu)中保護(hù)更高級(jí)別的鎖。通過(guò)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(jí)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(hù)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(gè)事務(wù)需要對(duì)表進(jìn)行全部或部分加鎖時(shí),會(huì)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(lè)觀并發(fā)控制樂(lè)觀的假設(shè)樂(lè)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(wú)鎖更新使用樂(lè)觀并發(fā)控制時(shí),事務(wù)可以無(wú)鎖地執(zhí)行讀寫操作,直到事務(wù)結(jié)束時(shí)再檢查是否有沖突。沖突檢測(cè)當(dāng)事務(wù)提交時(shí),系統(tǒng)會(huì)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(shì)相比于悲觀并發(fā)控制,樂(lè)觀并發(fā)控制避免了過(guò)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(jí)的版本管理機(jī)制,能夠跟蹤并管理文件的變更歷史。沖突解決當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)修改同一文件時(shí),第二版本控制可自動(dòng)檢測(cè)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(guò)并發(fā)控制機(jī)制,確保多個(gè)用戶可以并行地修改和提交變更而不會(huì)相互干擾?；貪L功能第二版本控制允許用戶隨時(shí)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(guò)為每個(gè)事務(wù)創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)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(jiàn)的并發(fā)問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)原理視圖隔離通過(guò)維護(hù)事務(wù)的快照數(shù)據(jù),保證每個(gè)事務(wù)看到的數(shù)據(jù)都是一致的,不會(huì)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(wèn)題。事務(wù)日志事務(wù)日志概述事務(wù)日志是數(shù)據(jù)庫(kù)用于保證事務(wù)ACID特性的關(guān)鍵機(jī)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(duì)數(shù)據(jù)的更改操作,可以用于在故障恢復(fù)時(shí)將數(shù)據(jù)恢復(fù)到特定時(shí)間點(diǎn)。回滾日志回滾日志記錄了事務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的變更,用于事務(wù)回滾時(shí)撤銷這些變更。回滾日志1記錄未提交的更改回滾日志會(huì)記錄事務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí),可以利用回滾日志中的信息來(lái)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(kù)故障恢復(fù)的速度,避免了重做整個(gè)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(shí)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(shí)，可以利用重做日志進(jìn)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(diǎn)定期保存數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài),確保在發(fā)生故障時(shí)能快速恢復(fù)。前滾從最近的檢查點(diǎn)開始,重新應(yīng)用后續(xù)的事務(wù)日志,將數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)保持一致性和完整性。檢查點(diǎn)定期記錄數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)會(huì)定期生成檢查點(diǎn),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(diǎn)生成時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)備份數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí),可以從最近的檢查點(diǎn)開始進(jìn)行恢復(fù),大幅減少恢復(fù)時(shí)間和成本。前滾1檢查點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以從最近的檢查點(diǎn)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(guò)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(cuò)誤或需要撤銷時(shí),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(guò)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