数据库系统------并发控制

基于锁的协议

锁机制用于控制 并发访问 数据项

锁协议是事务在请求和释放锁时需要遵循的一组规则。锁协议的目的是确保事务的并发执行不会导致数据的不一致性，同时帮助系统避免死锁和其他问题

锁的两种模式

• 排它锁（Exclusive Lock，X模式）

  • 目的：一个事务在对数据项进行操作时，可以对数据项进行 读和写 操作

  • 请求方式：使用 lock-X 指令来请求排它锁

  • 特点：只有获得排它锁的事务才能访问数据项，其他事务无论是读还是写都无法访问该数据项

• 共享锁（Shared Lock，S模式）

  • 目的：一个事务可以 只读 数据项

  • 请求方式：使用 lock-S 指令来请求共享锁

  • 特点：多个事务可以同时对同一个数据项加共享锁，但所有这些事务只能读取数据项，不能修改

锁请求的流程

• 加锁：事务向 并发控制管理器（Concurrency-Control Manager） 提出锁请求

• 授权：事务在锁请求被批准后，才能继续执行，进行读写操作

• 解锁：锁定的数据项在事务完成操作后，需要通过 Unlock 指令释放锁，使得其他事务可以访问该数据项

锁兼容矩阵

• 共享锁是兼容的，多个事务可以同时持有共享锁

• 排它锁是不兼容的，一旦有事务持有排它锁，其他任何事务都不能持有该数据项的任何锁（共享锁或排它锁）

• 如果某个事务 请求的锁与现有的锁不兼容，它将等待，直到冲突的锁被释放，之后才能获得锁

陷阱 --- Pitfalls

以上这个调度会造成 死锁，就是这两个事务都无法在改变自身状态了，T3持有B的排他锁，T4持有A的共享锁，然后T3需要访问A才能继续运行，T4需要访问B才能继续运行，这就构成了一个循环，造成了死锁

• 不正确的锁使用（比如不加锁或过早释放锁） 可能导致 数据不一致性，例如脏读或丢失更新等问题

• 如果事务在 请求其他锁之前不释放当前锁，可能导致 死锁，事务相互等待，无法继续执行

• 并发控制管理器设计不当，导致某些事务不断被其他事务排队或推迟处理，也就是一直被插队，无限期的等待资源，这会造成 饥饿

两阶段锁协议 --- Two-Phase Locking Protocol，2PL

• 阶段1 --- 增长阶段（Growing Phase)

  可以获取锁，不能释放锁

• 阶段1 --- 收缩阶段（Shrinking Phase)

  可以释放锁，不能获取锁

该协议确保所有的事务调度都是 冲突可串行化 的，通过对每个事务的 锁点 Lock Point（即获取最后一个锁的时刻） 进行排序，能够得到一个有效的串行化顺序，但不能确保避免 死锁

严格两阶段锁协议 --- Strict Two-Phase Locking Protocol

2PL在某些情况下可能导致 级联回滚（Cascading Rollback）

• 级联回滚：当一个事务发生回滚（由于某些错误或冲突），它可能会导致其他依赖该事务的事务也回滚

• 严格两阶段锁协议：在该协议中，事务 必须保持所有的独占锁直到它提交或回滚。换句话说，事务在释放任何锁之前，必须确保它已经完成了所有操作并且已经确定提交或者回滚

严谨两阶段锁协议 --- Rigorous Two-Phase Locking Protocol

比严格两阶段锁协议 更加严格，事务在整个执行过程中都必须持有 所有的锁，直到它提交或回滚，保证了事务可以 按照提交的顺序串行化

锁转换 --- Lock Conversions

锁转换在两阶段锁协议中的使用方式:

• 第一阶段：

  • 事务可以 获取 一个 共享锁

  • 事务也可以 获取 一个 排它锁

  • 事务还可以将共享锁 升级 为排它锁

• 第二阶段：

  • 事务可以 释放 已获取的 共享锁或排它锁

  • 事务还可以将排它锁 降级 为共享锁

基于图的协议

图形协议是一种替代两阶段锁协议（2PL） 的事务并发控制机制，它通过 定义数据项的访问顺序来控制事务的执行顺序

它不直接使用传统的锁（如共享锁或独占锁），而是使用 图结构 来确保事务之间的访问顺序符合一定规则，从而保证数据库操作的串行化

• 部分排序（Partial Ordering）：对于数据库中的每个数据项 会定义一个 部分排序。这意味着并不是所有的数据项之间都必须有明确的顺序关系，但某些数据项之间会有顺序要求。也就是定义访问B之前必须先访问A这样子

• 数据库图（Database Graph）：数据库的所有数据项和它们之间的顺序关系可以被表示为一个 有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG），我们称之为 数据库图（Database Graph）。在这个图中，节点代表数据项，而有向边表示数据项之间的访问顺序。通过这种图结构，事务在访问数据项时的顺序被明确规定

树协议

树协议是图形协议中的一种简单形式，它的工作原理是：事务按照某种层次结构（树形结构）来访问数据项，并且遵循树的遍历顺序

在树协议中，事务的访问顺序是从根节点开始，按照树的结构依次访问各个数据项。树形结构的特点是 没有环，确保了冲突可串行化和避免了死锁

树协议只允许使用排它锁

如上述这张图，每个节点表示数据项，要访问某个节点，必须先获取到该节点的父节点的锁

图形协议中，事务可能必须访问他们不想访问的数据，增加了锁开销和等待时间

多粒度锁协议 --- Multiple Granularity

事务在锁定一个较大数据单位（如表）时，会隐式地锁定该单位下的所有较小数据单位（如行或列）

不同粒度的锁具有不同的并发性和开销:

• 较低的粒度（如行级锁）具有更高的并发性但开销更大

• 较高的粒度（如表级锁）则会有较低的开销，但并发性较差

意图锁 提供了在 树的较高层次上指示事务在较低层次进行锁定的意图，这有助于优化锁的管理并减少对所有后代节点的检查

• IS：表示某个节点的较低层次正在加共享锁

• IX：表示某个节点的较低层次正在加排它锁或共享锁

• SIX：表示该节点是共享锁，同时其子节点会加排它锁

意向锁（IS和IX) 之间互不冲突，因为他们只是一种意向，表示在为低层级的资源加锁时要预先获取的表锁，IS与S不冲突，都是共享，IS与S和IX都不冲突，所以IS和SIX也不冲突，其他类似

死锁处理

预防

• Wait-Die Scheme（非抢占式）

  • 原理：在这个机制下，事务根据其 时间戳的先后顺序 决定是否可以等待

    • 较老的事务可以等待较新的事务释放数据项

    • 较新的事务不能等待较老的事务，它们会被回滚（即放弃当前操作，重新开始）

  • 回滚次数：较新的事务可能会多次回滚，直到能够获取所需的数据项

  • 非抢占式：该机制 不允许中断或强行回滚 正在执行的事务。只有在事务自身不能获取锁时，它们才会回滚

• Wound-Wait Scheme（抢占式）

  • 原理：与 Wait-Die Scheme 不同，Wound-Wait Scheme 是抢占式的

    • 较老的事务会 强行回滚（wound） 较新的事务，而不是等待它释放资源

    • 较新的事务可以等待较老的事务释放数据项

  • 回滚次数：相比于 Wait-Die Scheme，Wound-Wait Scheme 的回滚次数可能会更少，因为 较老的事务会主动中断较新的事务

  • 抢占式：该机制允许较老的事务 强行回滚 较新的事务，减少了等待，但可能导致较新的事务频繁被回滚

• Timeout-Based Schemes（基于超时的方案）

  • 原理：在这种机制下，事务 等待锁的时间有一个最大限制，超过这个时间后，事务会被回滚

    • 如果事务等待锁的时间超过了指定的超时阈值，它就会被中止，系统将回滚该事务

  • 避免死锁：这种方案能够避免死锁，因为事务不会无休止地等待锁

  • 实现简单：这种方案相对容易实现，但存在一些问题：

    • 可能出现饿死：如果事务总是因为超时而被回滚，它可能无法获得锁，也可能导致资源分配的不公平

    • 难以确定合理的超时值：如何设定合适的超时值比较困难。如果超时太短，事务会频繁回滚；如果超时太长，又可能导致系统反应迟缓

检测

wait-for图

恢复

Rollback 回滚