数据库系统原理与实践 笔记 #11

事务管理和并发控制与恢复

事务概念

• 事务是构成单一逻辑工作单元的操作集合
• 事务是访问并可能个您各种数据项的一个程序执行单元
• 事务由事务开始(begin trasaction)与实务结束(end transaction)之间执行的全体操作组成
• 事务管理处理的两个主要问题：
  • 各类故障恢复，如硬件故障，系统崩溃等
  • 多个事务的并发执行

转账的例子

• 从账户A过户$50到账户B的事务：
  • 1.read(A)
  • 2.A := A - 50
  • 3.write(A)
  • 4.read(B)
  • 5.B := B + 50
  • 6.write(B)
• 原子性要求：在3之后、6之前，如果事务出现故障，钱就会丢失，从而导致数据库的不一致性，系统应该保证部分执行的事务的更新不会体现在数据库中
• 持久性要求：一个事务成功完成后，它对数据库的改变必须是永久的，即使出现系统故障
• 一致性要求：事务执行结束后A和B的总和不变
• 隔离性要求：如果3到6之间，另一个事务T2允许进入部分更新的数据库，该事务将会看到一个不一致的数据库(A+B的和可能会少于其实际值)
• 可以通过将事务串行化来保证隔离性，但是并发执行事务有很大的性能优势

事务ACID特性

ACID特性

• 事务是访问并可能更新各种数据项的一个程序执行单元
• 原子性(Atomicity)：事务的所有操作在数据库中要么全部反映出来，要么完全不反映
• 一致性(Consistency)：事务隔离执行时（即在没有其他事务并发执行的情况下）保持数据库的一致性
• 隔离性(Isolation)：尽管多个事务可能并发执行，但是每个事务都感觉不到系统中有其他事务在并发地执行
• 持久性(Durability)：一个事务成功完成后，它对数据库的改变是永久的，即便系统出现故障时也是如此

事务原子性和持久性

• 事务的状态包括：
  • 活动的：初始状态，事务执行时处于这个状态
  • 部分提交的：最后一条语句执行前
  • 失败的：发现正常的执行不能继续后
  • 中止的：事务回滚并且数据库已恢复到事务开始执行前的状态后（中止之后可以重新开始事务，也可以杀死事务）
  • 已提交的：成功完成执行的事务（撤销已提交事务所造成影响的唯一方法是执行一个补偿事务）

事务隔离性

• 事务处理系统通常允许多个事务并发地执行，优点是：
  • 提高吞吐量和资源利用率
  • 减少等待时间
• 并发控制机制：实现事务隔离性的机制（控制并发的事务之间的相互作用，来避免他们破坏数据库的一致性）

调度

• 调度：执行执行顺序，指定并发执行事务的指令执行的时间顺序
  • 一组事务的一个调度必须包含这一组事务的全部执行
  • 必须保持指令在各个事务中出现的顺序
• 一个事务成功执行后，会有一条指令作为最后的声明：事务默认提交指令commit为其最后一条执行
• 一个事务没有成功完成时，会用一条中止指令abort来作为最后的声明

SQL中的事务定义

• 数据操纵语言(DML)必须包含用于说明构成事务的活动集合的结构
• SQL标准规定事务的开始是隐式的
• 事务的结束用下列SQL语句之一来表示(work可选)：
  • Commit [work]：提交当前事务并开始一个新的事务
  • Rollback [work]：回滚当前事务
• 在几乎所有的数据库系统中，缺省每个SQL语句如果成功执行的话，也立即隐式提交事务（这种隐式提交也可以通过数据库指令关闭）

可串行化

• 基本假设：每个事务都可能保持数据库的一致性
• 事务的串行执行是可以保持一致性的
• 如果一个调度等级碍于一个串行调度，那么这个调度就是可串行化的
• 按调度的不同形式可分为：冲突可串行化、视图可串行化

事务的简化视图

• 只考虑read和write指令
• 假设事务在read和write指令之间可以对本地缓冲区的数据进行任意的操作
• 简化的调度只包含read和write指令

冲突的指令

• 两条连续指令$l_i$与$l_j$分别属于事务$T_i$和$T_j$，当且仅当数据项Q被$l_i$和$l_j$同时访问，并且至少有一个指令执行了write Q操作才会发生冲突
• 1.$l_i=read(Q)$，$l_j=read(Q)$,不冲突
• 2.$l_i=read(Q)$，$l_j=write(Q)$,冲突
• 3.$l_i=write(Q)$，$l_j=read(Q)$,冲突
• 4.$l_i=write(Q)$，$l_j=write(Q)$,冲突

冲突可串行化

• $l_i$和$l_j$之间的冲突迫使它们之间有一个逻辑时间顺序
• 一个调度中，如果$l_i$和$l_j$在时间上连续并且不发生冲突，则可以交换这两条指令的顺序
• 如果调用S可以通过一系列非冲突指令交换转换成S’，我们称S和S’是冲突等价的
• 若一个调度S与一个可串行调度冲突等价，则称调度S是冲突可串行化的

可恢复性

  需要了解并发运行的事务的失败会产生什么影响

• 可恢复调度：如果$T_j$读取了之前由$T_i$所写的数据项，则$T_i$需先于$T_j$提交

• 下面的调度无法恢复，如果$T_9$在read之后直接提交
  

• 如果$T_8$要中止，$T_9$会读到一个不一致的数据A。因此，数据库必须保证调度可恢复

级联回滚

• 级联回滚：因单个事务故障导致一系列事务回滚
  

• 如果没有一个事务是提交的，如果$T_{10}$失败，$T_{11}$和$T_{12}$必须回滚，会导致撤销大量工作

无级联调度

• 无级联调度：对于每对事务$T_i$和$T_j$，如果$T_j$读取了先前由$T_i$所写的数据项，则$T_i$必须在$T_j$这一读取操作前提交（不会发生级联回滚）
• 无级联调度是可恢复的