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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。
锁
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。
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B2525lock(A); read(A);A A 100write(A); unlock(A);125lock(A), read(A)A A*2write(A);unlock(A)250lock(B); read(B);B B*2write(B);unlock(B);50lock(B); read(B);B B 100write(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B2525lock(A); read(A);A A 100write(A); lock(B); unlock(A);125lock(A), read(A)A A*2write(A);250lock(B); 被拒绝read(B);B B 100write(B);unlock(B);125lock(B); unlock(A); read(B);B B*2write(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B2525lock(A); read(A);lock(B); read(B);A A 100B B*2write(A);125write(B);50lock(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。
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