數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)-并發(fā)控制

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一、為什么要并發(fā)控制

多端操作同一個(gè)數(shù)據(jù)庫的問題
數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)-并發(fā)控制

1.2 并發(fā)控制解決的問題

1.2.1 臟讀

新增的是行
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1.2.2 幻讀

修改的是原有數(shù)據(jù)的記錄數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)-并發(fā)控制

1.2.3 不可重復(fù)讀

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1.2.4 數(shù)據(jù)丟失問題

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)-并發(fā)控制
并發(fā)控制、事務(wù)、封鎖是DBMS實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制的核心技術(shù)

二、事務(wù)調(diào)度及可串行性

2.1 事務(wù)

DBMS提供的控制數(shù)據(jù)操作的一種手段，：應(yīng)用程序員將一系列的數(shù)據(jù)庫操作組合在一起為一個(gè)整體進(jìn)行操作和控制，保證了一致性

2.1.1 事務(wù)的宏觀

事務(wù)的宏觀(應(yīng)用程序員看到的事務(wù))：一個(gè)存取或改變數(shù)據(jù)庫內(nèi)容的程序的一次執(zhí)行，或者說一個(gè)SQL組合的一次執(zhí)行被看做一個(gè)事務(wù)。
由應(yīng)用程序提出，有開始和結(jié)束，結(jié)束前需要提交或者撤銷

Begin Transcation
	exec sql...
	...
	exec sql...
	exec sql commit work | exec sql rollback work
End Transcation

一段程序語句中，可能會存在執(zhí)行循環(huán)，SQL引出事務(wù)，到Commit/Rollback結(jié)束事務(wù)，每次重復(fù)執(zhí)行都會產(chǎn)生一個(gè)事務(wù)
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2.1.2 事務(wù)的微觀

DBMS看到的事務(wù)：對數(shù)據(jù)庫的一系列基本操作(讀寫)的一個(gè)整體性執(zhí)行

事務(wù)的并發(fā)執(zhí)行：多個(gè)事務(wù)從宏觀上看是并行執(zhí)行的，但是微觀上的基本操作(R、W)是可以交叉執(zhí)行的

2.1.3 事務(wù)的特性 ACID

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原子性Atomicity：一組SQL操作是不可再分的
一致性Consistency：事務(wù)開始和結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)庫的完整性約束都存在。比如：每個(gè)銀行賬戶>0 , 事務(wù)執(zhí)行前后都應(yīng)該>0
隔離性Isolation：多個(gè)并發(fā)事務(wù)之間的操作應(yīng)該是互不干擾，每個(gè)事務(wù)獨(dú)立運(yùn)行。
持久性：一旦提交，結(jié)果就應(yīng)該永久保存在數(shù)據(jù)庫中。及時(shí)出現(xiàn)故障也不能丟失數(shù)據(jù)

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2.2 事務(wù)調(diào)度與可串行性

事務(wù)調(diào)度：一組事務(wù)的基本步驟(R\W\其他控制操作加鎖解鎖等)的一種執(zhí)行順序稱為對這組事務(wù)的一個(gè)調(diào)度。
并發(fā)(并行)調(diào)度：多個(gè)事務(wù)從宏觀上看上去是并行執(zhí)行的，但是微觀上的基本操作(RW)是可以交叉執(zhí)行的

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并發(fā)調(diào)度的正確性：多個(gè)事務(wù)并發(fā)執(zhí)行結(jié)果 === 每個(gè)事物依次執(zhí)行的結(jié)果

并發(fā)調(diào)度的可串行性：一個(gè)調(diào)度的影響 === 某幾個(gè)串行調(diào)度相同，則說可串行化的或具有可串行性

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沖突：調(diào)度中一一對連續(xù)的動(dòng)作，如果他們順序交換，那么涉及的事務(wù)中必須要改變。
有沖突的兩個(gè)操作是不能交換次序的，沒有沖突的兩個(gè)事物是可以交換的。
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事務(wù)可串行化是指對于任何兩個(gè)或多個(gè)事務(wù)，
如果它們并發(fā)執(zhí)行的結(jié)果和以某個(gè)序列化的順序執(zhí)行的結(jié)果是一樣的，
那么這些事務(wù)就是可串行化的。 
 
沖突可串行化是指對于任何兩個(gè)或多個(gè)事務(wù)，
如果它們并發(fā)執(zhí)行的結(jié)果和以某個(gè)序列化的順序執(zhí)行的結(jié)果是一樣的，
且它們之間任何一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的讀寫操作之間都沒有沖突，
那么這些事務(wù)就是沖突可串行化的。 
 
可串行化和沖突可串行化的區(qū)別在于，
可串行化只是要求不同的事務(wù)在并發(fā)執(zhí)行和串行執(zhí)行的結(jié)果是一致的，
而沖突可串行化要求不同事務(wù)之間的數(shù)據(jù)訪問順序不能引起沖突。

2.3 沖突可串行化判定

構(gòu)造前驅(qū)圖(有向圖)
節(jié)點(diǎn)是每一個(gè)事物T。如果Ti的一個(gè)操作和Tj的一個(gè)操作發(fā)生沖突，Ti在Tj前面，則繪制一條邊，由Ti指向Tj
測試檢查：如果此有向圖沒沒有環(huán)，那么沖突就是可串行的

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三、基于封鎖的并發(fā)控制方法

鎖是控制并發(fā)的一種手段

每一數(shù)據(jù)元素都有唯一的鎖
事務(wù)讀寫前，要獲取鎖
后面的事務(wù)需要等待鎖釋放
事務(wù)處理完成后需要釋放鎖

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3.1 鎖的類型

3.1.1 共享鎖Shared Lock

多個(gè)事務(wù)可以一起用共享鎖，只能讀取，不能修改
當(dāng)數(shù)據(jù)有了排它鎖，就不能再加共享鎖

3.1.2 排它鎖Exclusive Lock

一個(gè)事務(wù)獨(dú)占排它鎖，可以修改

3.1.3 意向共享鎖 Intent Shared Lock

輔助鎖，用來表明想要加上共享鎖

3.1.4 意向排他鎖 Intent Exclusive Lock

輔助鎖，用來表明想要加上排它鎖

3.1.5 更新鎖Update Lock

也稱為共享更新鎖，是一種介于共享鎖&排它鎖之間的鎖
允許多個(gè)事務(wù)讀取資源，但只允許一個(gè)事務(wù)進(jìn)行修改
同樣的，只能有一個(gè)更新鎖，有了更行鎖就不能加共享鎖

3.1.6 增量鎖Incremental Lock

增量的對數(shù)據(jù)進(jìn)行 lock & unlock
從而減少了鎖沖突的概率，提升了并發(fā)性能
通常用于高并發(fā)場景下的資源訪問控制

3.1.7 行級鎖Row Lock

只鎖定一行行的數(shù)據(jù)，而不鎖定表的數(shù)據(jù)

3.1.8 表級鎖Row Lock

鎖定整個(gè)表

3.1.9 鎖的優(yōu)先級

排它鎖 > 意向排它鎖 > 意向共享鎖 > 共享鎖
行級鎖 > 表級鎖

3.2 加鎖解鎖時(shí)機(jī)

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3.3 SQL隔離級別

3.3.1 讀未提交 read uncommitted 0

可以讀取其他事務(wù)未提交的數(shù)據(jù)，也就是允許臟讀
最低的隔離級別，并發(fā)性最高，但是會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致問題

3.3.2 讀已提交 read committed 1

只能讀取已經(jīng)提交的數(shù)據(jù)，避免了臟讀
但是在并發(fā)，多個(gè)事務(wù)同時(shí)訪問一個(gè)數(shù)據(jù)，可能會出現(xiàn)重復(fù)讀取的數(shù)據(jù)

3.3.3 可重復(fù)讀 repeatable read 2

讀取前，先加鎖，其他事務(wù)不能修改
避免了重復(fù)讀和臟讀

3.3.4 可串行化 serializable 3

RW都會加鎖，完全避免了并發(fā)
性能下降

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封鎖的粒度：
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屬性值 —> 元祖 —> 元祖集合 —> 整個(gè)關(guān)系 —> 整個(gè)DB
索引項(xiàng) —> 整個(gè)索引

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3.4 封鎖協(xié)議級別

3.4.1 一級封鎖協(xié)議

修改前必須加X鎖，結(jié)束(commit or rollback) 才釋放鎖
避免丟失修改

3.4.2 二級封鎖協(xié)議

在一級的基礎(chǔ)上 + 事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對其加S鎖,讀完后即可釋放S鎖。
讀“臟”數(shù)據(jù)

3.4.3 三級封鎖協(xié)議

在一級的基礎(chǔ)上 + 事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)R之前必須先對其加S鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。
不可重復(fù)讀

3.5 兩段鎖協(xié)議

加鎖階段Growing Pahse & 解鎖階段Shrinking Phase
訪問前先申請鎖
在提交前，所有的鎖都不能釋放
在加鎖階段，任何事務(wù)不能訪問已經(jīng)加鎖的資源

銀行轉(zhuǎn)賬，雙方賬戶都鎖定，轉(zhuǎn)賬才開始

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四、基于時(shí)間戳的并發(fā)控制方法

4.1 基于時(shí)間戳順序的調(diào)度規(guī)則

基于時(shí)間戳順序的調(diào)度規(guī)則是根據(jù)事務(wù)提交的時(shí)間戳順序進(jìn)行調(diào)度，即按照時(shí)間戳先后順序來決定事務(wù)執(zhí)行的順序

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時(shí)間戳相同，就會導(dǎo)致死鎖
此外，如果有多個(gè)事務(wù)同時(shí)競爭多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，并且它們的時(shí)間戳相互依存，那么就可能出現(xiàn)死鎖的情況。例如，如果事務(wù)1需要修改數(shù)據(jù)項(xiàng)A和B，而事務(wù)2需要修改數(shù)據(jù)項(xiàng)B和C，而時(shí)間戳1 < 時(shí)間戳2，那么事務(wù)1會先獲得A和B的鎖，但是無法獲得C的鎖，而事務(wù)2會先獲得C的鎖，但是無法獲得B的鎖，從而導(dǎo)致死鎖的情況。

4.2 基于時(shí)間戳調(diào)度托馬斯規(guī)則

托馬斯規(guī)則要求事務(wù)按照它們的時(shí)間戳順序提交，如果一個(gè)事務(wù)想要提交，但是有其他事務(wù)正在等待或已經(jīng)占據(jù)它要修改的數(shù)據(jù)項(xiàng)，那么它必須等待所有占據(jù)該數(shù)據(jù)項(xiàng)的其他事務(wù)都提交或回滾后才能提交。托馬斯規(guī)則的核心思想是通過強(qiáng)制事務(wù)按照一定的順序提交，來保證不會出現(xiàn)死鎖的情況。

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五、基于有效性確認(rèn)的并發(fā)控制方法

事務(wù)操作數(shù)據(jù)前，先確認(rèn)沒有其他事務(wù)正在操作

基于有效性確認(rèn)的并發(fā)控制方法可以保證數(shù)據(jù)庫的一致性和完整性，但它也會帶來一定的性能開銷，因?yàn)樾枰獙γ總€(gè)事務(wù)所涉及到的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行確認(rèn)。此外，如果事務(wù)之間的競爭比較激烈，那么可能會導(dǎo)致較高的并發(fā)沖突率，影響系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和處理能力。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮并發(fā)控制方法的安全性和效率，選擇合適的方法來滿足系統(tǒng)的需求。

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