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1、An Introduction to Database System,数据库原理Database Principle,仲恺农业技术学院计算机科学与工程学院,An Introduction to Database System,问题的产生,多用户数据库系统的存在 允许多个用户同时使用的数据库系统飞机定票数据库系统银行数据库系统 特点：在同一时刻并发运行的事务数可达数百个,An Introduction to Database System,问题的产生（续）,不同的多事务执行方式(1)事务串行执行每个时刻只有一个事务运行，其他事务必须等到这个事务结束以后方能运行不能充分利用系统资源，发挥数据库共享
2、资源的特点,T1,T2,T3,事务的串行执行方式,An Introduction to Database System,问题的产生（续）,(2)交叉并发方式（Interleaved Concurrency）在单处理机系统中，事务的并行执行是这些并行事务的并行操作轮流交叉运行单处理机系统中的并行事务并没有真正地并行运行，但能够减少处理机的空闲时间，提高系统的效率,An Introduction to Database System,问题的产生（续）,事务的交叉并发执行方式,An Introduction to Database System,问题的产生（续）,(3)同时并发方式（simultan
3、eous concurrency）多处理机系统中，每个处理机可以运行一个事务，多个处理机可以同时运行多个事务，实现多个事务真正的并行运行,An Introduction to Database System,问题的产生（续）,事务并发执行带来的问题会产生多个事务同时存取同一数据的情况 可能会存取和存储不正确的数据，破坏事务一致性和数据库的一致性,An Introduction to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性11.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Da
4、tabase System,11.1 并发控制概述,并发控制机制的任务对并发操作进行正确调度保证事务的隔离性保证数据库的一致性,An Introduction to Database System,并发操作带来数据的不一致性实例例1飞机订票系统中的一个活动序列 甲售票点(甲事务)读出某航班的机票余额A，设A=16；乙售票点(乙事务)读出同一航班的机票余额A，也为16；甲售票点卖出一张机票，修改余额AA-1，所以A为15，把A写回数据库；乙售票点也卖出一张机票，修改余额AA-1，所以A为15，把A写回数据库 结果明明卖出两张机票，数据库中机票余额只减少1,T1的修改被T2覆盖了！,并发控制概述（
5、续）,并发控制概述（续）,An Introduction to Database System,并发控制概述（续）,这种情况称为数据库的不一致性，是由并发操作引起的。在并发操作情况下，对甲、乙两个事务的操作序列的调度是随机的。若按上面的调度序列执行，甲事务的修改就被丢失。原因：第4步中乙事务修改A并写回后覆盖了甲事务的修改,An Introduction to Database System,并发控制概述（续）,并发操作带来的数据不一致性丢失修改（Lost Update）不可重复读（Non-repeatable Read）读“脏”数据（Dirty Read）记号R(x):读数据xW(x):写数
6、据x,An Introduction to Database System,1.丢失修改,两个事务T1和T2读入同一数据并修改，T2的提交结果破坏了T1提交的结果，导致T1的修改被丢失。上面飞机订票例子就属此类,An Introduction to Database System,丢失修改（续）,丢失修改,实例演示,An Introduction to Database System,2.不可重复读,不可重复读是指事务T1读取数据后，事务T2执行更新操作，使T1无法再现前一次读取结果。,An Introduction to Database System,不可重复读（续）,不可重复读包括三种情
7、况：(1)事务T1读取某一数据后，事务T2对其做了修改，当事务T1再次读该数据时，得到与前一次不同的值,An Introduction to Database System,不可重复读（续）,T1读取B=100进行运算T2读取同一数据B，对其进行修改后将B=200写回数据库。T1为了对读取值校对重读B，B已为200，与第一次读取值不一致,不可重复读,例如：,实例演示,An Introduction to Database System,不可重复读（续）,(2)事务T1按一定条件从数据库中读取了某些数据记录后，事务T2删除了其中部分记录，当T1再次按相同条件读取数据时，发现某些记录消失了(3)事
8、务T1按一定条件从数据库中读取某些数据记录后，事务T2插入了一些记录，当T1再次按相同条件读取数据时，发现多了一些记录。后两种不可重复读有时也称为幻影现象（Phantom Row）,An Introduction to Database System,3.读“脏”数据,读“脏”数据是指：事务T1修改某一数据，并将其写回磁盘事务T2读取同一数据后，T1由于某种原因被撤销这时T1已修改过的数据恢复原值，T2读到的数据就与数据库中的数据不一致T2读到的数据就为“脏”数据，即不正确的数据,An Introduction to Database System,读“脏”数据（续）,例如,T1将C值修改为2
9、00，T2读到C为200T1由于某种原因撤销，其修改作废，C恢复原值100这时T2读到的C为200，与数据库内容不一致，就是“脏”数据,An Introduction to Database System,并发控制概述（续）,数据不一致性：由于并发操作破坏了事务的隔离性并发控制就是要用正确的方式调度并发操作，使一个用户事务的执行不受其他事务的干扰，从而避免造成数据的不一致性,An Introduction to Database System,并发控制概述（续）,并发控制的主要技术有封锁(Locking)时间戳(Timestamp)乐观控制法商用的DBMS一般都采用封锁方法,An Introd
10、uction to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性11.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Database System,11.2 封锁,什么是封锁基本封锁类型锁的相容矩阵,An Introduction to Database System,什么是封锁,封锁就是事务T在对某个数据对象（例如表、记录等）操作之前，先向系统发出请求，对其加锁加锁后事务T就对该数据对象有了一定的控制，在事务T释放它的锁之前，其它的事务不能更新此数据对象。,An Introduc
11、tion to Database System,在 SQL Server中如何查看锁？,An Introduction to Database System,在 SQL Server中如何查看锁？（续）,实例演示,An Introduction to Database System,基本封锁类型,一个事务对某个数据对象加锁后究竟拥有什么样的控制由封锁的类型决定。基本封锁类型排它锁（Exclusive Locks，简记为X锁）共享锁（Share Locks，简记为S锁）,An Introduction to Database System,排它锁,排它锁又称为写锁若事务T对数据对象A加上X锁，则
12、只允许T读取和修改A，其它任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到T释放A上的锁保证其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A,An Introduction to Database System,共享锁,共享锁又称为读锁若事务T对数据对象A加上S锁，则其它事务只能再对A加S锁，而不能加X锁，直到T释放A上的S锁保证其他事务可以读A，但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改,An Introduction to Database System,锁的相容矩阵,An Introduction to Database System,锁的相容矩阵（续）,在锁的相容矩阵中：最左边一列表示事务T1已
13、经获得的数据对象上的锁的类型，其中横线表示没有加锁。最上面一行表示另一事务T2对同一数据对象发出的封锁请求。T2的封锁请求能否被满足用矩阵中的Y和N表示Y表示事务T2的封锁要求与T1已持有的锁相容，封锁请求可以满足N表示T2的封锁请求与T1已持有的锁冲突，T2的请求被拒绝,An Introduction to Database System,使用封锁机制解决丢失修改问题,例：,事务T1在读A进行修改之前先对A加X锁当T2再请求对A加X锁时被拒绝T2只能等待T1释放A上的锁后T2获得对A的X锁这时T2读到的A已经是T1更新过的值15T2按此新的A值进行运算，并将结果值A=14送回到磁盘。避免了丢
14、失T1的更新。,没有丢失修改,An Introduction to Database System,使用封锁机制解决不可重复读问题,事务T1在读A，B之前，先对A，B加S锁其他事务只能再对A，B加S锁，而不能加X锁，即其他事务只能读A，B，而不能修改当T2为修改B而申请对B的X锁时被拒绝只能等待T1释放B上的锁T1为验算再读A，B，这时读出的B仍是100，求和结果仍为150，即可重复读T1结束才释放A，B上的S锁。T2才获得对B的X锁,可重复读,An Introduction to Database System,使用封锁机制解决读“脏”数据问题,例,事务T1在对C进行修改之前，先对C加X锁，
15、修改其值后写回磁盘T2请求在C上加S锁，因T1已在C上加了X锁，T2只能等待T1因某种原因被撤销，C恢复为原值100T1释放C上的X锁后T2获得C上的S锁，读C=100。避免了T2读“脏”数据,不读“脏”数据,An Introduction to Database System,11.2 封锁(续),An Introduction to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性11.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Database System,11.3 活锁和死
16、锁,封锁技术可以有效地解决并行操作的一致性问题，但也带来一些新的问题死锁活锁,An Introduction to Database System,活锁（续）,活 锁,An Introduction to Database System,活锁（续）,避免活锁：采用先来先服务的策略当多个事务请求封锁同一数据对象时按请求封锁的先后次序对这些事务排队该数据对象上的锁一旦释放，首先批准申请队列中第一个事务获得锁,An Introduction to Database System,11.3.2 死锁,事务T1封锁了数据R1T2封锁了数据R2T1又请求封锁R2，因T2已封锁了R2，于是T1等待T2释放R
17、2上的锁接着T2又申请封锁R1，因T1已封锁了R1，T2也只能等待T1释放R1上的锁这样T1在等待T2，而T2又在等待T1，T1和T2两个事务永远不能结束，即:T1和T2互相封锁形成死锁,An Introduction to Database System,死锁（续）,死 锁,An Introduction to Database System,解决死锁的方法,两类方法1.预防死锁2.死锁的诊断与解除,An Introduction to Database System,1.死锁的预防,产生死锁的原因是两个或多个事务都已封锁了一些数据对象，然后又都请求对已为其他事务封锁的数据对象加锁，从而出现
18、死等待。预防死锁的发生就是要破坏产生死锁的条件,An Introduction to Database System,死锁的预防（续）,预防死锁的方法 一次封锁法 顺序封锁法,An Introduction to Database System,(1)一次封锁法,要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁，否则就不能继续执行缺点造成封锁范围时间扩大,降低系统并发度难于事先精确确定封锁对象,An Introduction to Database System,(2)顺序封锁法,顺序封锁法是预先对数据对象规定一个封锁顺序，所有事务都按这个顺序实行封锁。顺序封锁法存在的问题维护成本 数据库系统中
19、封锁的数据对象极多，并且在不断地变化。难以实现：很难事先确定每一个事务要封锁哪些对象,An Introduction to Database System,死锁的预防（续）,结论在操作系统中广为采用的预防死锁的策略并不很适合数据库的特点DBMS在解决死锁的问题上更普遍采用的是诊断并解除死锁的方法,An Introduction to Database System,2.死锁的诊断与解除,死锁的诊断超时法事务等待图法,An Introduction to Database System,(1)超时法,如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，就认为发生了死锁优点：实现简单缺点有可能误判死锁时限若设
20、置得太长，死锁发生后不能及时发现,An Introduction to Database System,(2)等待图法,用事务等待图动态反映所有事务的等待情况事务等待图是一个有向图G=(T，U)T为结点的集合，每个结点表示正运行的事务U为边的集合，每条边表示事务等待的情况若T1等待T2，则T1，T2之间划一条有向边，从T1指向T2,An Introduction to Database System,等待图法（续）,事务等待图,图(a)中，事务T1等待T2，T2等待T1，产生了死锁图(b)中，事务T1等待T2，T2等待T3，T3等待T4，T4又等待T1，产生了死锁 图(b)中，事务T3可能还等
21、待T2，在大回路中又有小的回路,An Introduction to Database System,等待图法（续）,并发控制子系统周期性地（比如每隔数秒）生成事务等待图，检测事务。如果发现图中存在回路，则表示系统中出现了死锁。,An Introduction to Database System,死锁的诊断与解除（续）,解除死锁选择一个处理死锁代价最小的事务，将其撤消释放此事务持有的所有的锁，使其它事务能继续运行下去,An Introduction to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性1
22、1.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Database System,11.4 并发调度的可串行性,DBMS对并发事务不同的调度可能会产生不同的结果什么样的调度是正确的？,An Introduction to Database System,11.4 并发调度的可串行性（续）,可串行化(Serializable)调度多个事务的并发执行是正确的，当且仅当其结果与按某一次序串行地执行这些事务时的结果相同可串行性(Serializability)是并发事务正确调度的准则一个给定的并发调度，当且仅当它是可串行化的，才认为是正确调度,An Introduction to
23、 Database System,11.4 并发调度的可串行性（续）,例现在有两个事务，分别包含下列操作：事务T1：读B；A=B+1；写回A事务T2：读A；B=A+1；写回B现给出对这两个事务不同的调度策略,An Introduction to Database System,串行调度,不可串行化调度,An Introduction to Database System,串行调度,可串行化调度,An Introduction to Database System,思考是否存在其他调度策略,？,串行调度,总结：如果有n个事务串行调度，那么不同的有效调度有n！个。,An Introduction
24、to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性11.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Database System,11.5 两段锁协议,封锁协议（Locking Protocol）运用封锁方法时，对数据对象加锁时需要约定一些规则 何时申请封锁持锁时间何时释放封锁等两段封锁协议(Two-Phase Locking，简称2PL)是最常用的一种封锁协议，理论上证明使用两段封锁协议产生的是可串行化调度,An Introduction to Database System
25、,两段锁协议（续）,两段锁协议 指所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁 在对任何数据进行读、写操作之前，事务首先要获得对该数据的封锁在释放一个封锁之后，事务不再申请和获得任何其他封锁,An Introduction to Database System,两段锁协议（续）,“两段”锁的含义事务分为两个阶段 第一阶段是获得封锁，也称为扩展阶段事务可以申请获得任何数据项上的任何类型的锁，但是不能释放任何锁 第二阶段是释放封锁，也称为收缩阶段事务可以释放任何数据项上的任何类型的锁，但是不能再申请任何锁,An Introduction to Database System,两段锁协议（续）,例：事务
26、Ti 遵守两段锁协议，其封锁序列是：Slock A Slock B Xlock C Unlock B Unlock A UnlockC；|扩展阶段|收缩阶段|事务Tj 不遵守两段锁协议，其封锁序列是：Slock A Unlock A Slock B Xlock C Unlock C UnlockB；,An Introduction to Database System,左图的调度是遵守两段锁协议的，因此一定是一个可串行化调度。,An Introduction to Database System,两段锁协议&可串行化调度,事务遵守两段锁协议是可串行化调度的充分条件，而不是必要条件。两段锁协议可
27、串行化调度可串行化调度两段锁协议,？,An Introduction to Database System,两段锁协议防止死锁的一次封锁法,一次封锁法要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁，否则就不能继续执行，因此一次封锁法遵守两段锁协议但是两段锁协议并不要求事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁，因此遵守两段锁协议的事务可能发生死锁,？,An Introduction to Database System,两段锁协议（续）,例 遵守两段锁协议的事务发生死锁,T1Slock BR(B)=2Xlock A等待等待,T2Slock AR(A)=2Xlock A等待,遵守两段锁协议的事务可能
28、发生死锁,An Introduction to Database System,第十一章 并发控制,11.1 并发控制概述11.2 封锁11.3 活锁和死锁11.4 并发调度的可串行性11.5 两段锁协议11.6 小结,An Introduction to Database System,11.7 小结,数据共享与数据一致性是一对矛盾数据库的价值在很大程度上取决于它所能提供的数据共享度数据共享在很大程度上取决于系统允许对数据并发操作的程度数据并发程度又取决于数据库中的并发控制机制数据的一致性也取决于并发控制的程度。施加的并发控制愈多，数据的一致性往往愈好,An Introduction to Database System,小结（续）,数据库的并发控制以事务为单位数据库的并发控制通常使用封锁机制两类最常用的封锁,An Introduction to Database System,小结（续）,并发控制机制调度并发事务操作是否正确的判别准则是可串行性并发操作的正确性则通常由两段锁协议来保证。两段锁协议是可串行化调度的充分条件，但不是必要条件,An Introduction to Database System,小结（续）,对数据对象施加封锁，带来问题活锁：先来先服务 死锁：预防方法一次封锁法顺序封锁法 死锁的诊断与解除超时法等待图法,
