На рис. 15.10 приведена измененная версия отношения (рис. 15.5) с перечислением чередующихся транзакций согласно протоколу блокировки. Операция обновления для транзакции B в момент времени t6 не будет выполнена. Дело в том, что она является неявным запросом с заданием Х-блокировки для кортежа СЧЕТ 1, а этот запрос вступает в конфликт с S-блокировкой, уже заданной транзакцией A. Таким образом, транзакция B переходит в состояние ожидания. Точно так же операция извлечения для транзакции A в момент времени t7 не будет выполнена. Дело в том, что она является неявным запросом с заданием S-блокировки для кортежа СЧЕТ 3, а этот запрос вступает в конфликт с Х‑блокировкой, уже заданной транзакцией B. Таким образом, транзакция A переходит в состояние ожидания. Следовательно, блокировка хотя и помогает решить одну проблему (а именно проблему несовместимого анализа), но приводит к необходимости решения другой проблемы (а именно проблемы возникновения тупиковой ситуации).

рис. 15.10. Проблема несовместимого анализа разрешается, но в момент времени t7 возникает тупиковая ситуация.

Тупиковые ситуации

Как было показано выше, блокировку можно использовать для разрешения трех основных проблем, возникающих при параллельной обработке кортежей. К сожалению, использование блокировок приводит к возникновению другой проблемы – тупиковой ситуации. На рис. 15.11 показан обобщенный пример этой проблемы, в котором p1 и p2 представляют любые блокируемые объекты, необязательно кортежи базы данных, а выражения типа "блокировка ... без взаимного доступа" представляют любые операции с наложением блокировки без взаимного доступа, заданные как явно, так и неявно.

рис. 15.11. Пример тупиковой ситуации.

Тупиковая ситуация возникает тогда, когда две или более транзакции одновременно находятся в состоянии ожидания, причем для продолжения работы каждая из транзакций ожидает прекращения выполнения другой транзакции.

Для обнаружения тупиковой ситуации следует обнаружить цикл в диаграмме состояний ожидания, т.е. в перечне "транзакций, которые ожидают окончания выполнения других транзакций" Поиск выхода из тупиковой ситуации состоит в выборе одной из заблокированных транзакций в качестве жертвы и отмене ее выполнения. Таким образом, с нее снимается блокировка, а выполнение другой транзакции может быть возобновлено.

На практике не все системы в состоянии обнаружить тупиковую ситуацию. Например, в некоторых из них используется хронометраж выполнения транзакций, и сообщение о возникновении тупиковой ситуации поступает, если транзакция не выполняется за некоторое предписанное заранее время.

Следует обратить внимание на то, что транзакция-жертва признается "некорректной" и отменяется "не из-за собственной некорректности". В некоторых системах предусмотрен автоматический перезапуск транзакции с самого начала при условии, что обстоятельства, которые привели к тупиковой ситуации, не повторятся вновь. A в других системах в программу, связанную с данной транзакцией, просто посылается сообщение о "вызвавшей тупиковую ситуацию транзакции-жертве" для обработки этой ситуации в самой программе С точки зрения программирования приложений предпочтительнее первый из этих подходов. Но несмотря на это, всегда рекомендуется решать данную проблему с точки зрения пользователя.

Способность к упорядочению

Чередующееся выполнение заданного множества транзакций будет верным, если оно упорядочено, т.е. при его выполнении будет получен такой же результат, как и при последовательное выполнении тех же транзакций. Обосновать это утверждение помогут следующие замечания:

1. Отдельные транзакции считаются верными, если при их выполнении база данных переходит из одного непротиворечивого состояния в другое непротиворечивое состояние.

2. Выполнение транзакций одна за другой в любом последовательном порядке также является верным. При этом под выражением "любой последовательный порядок" подразумевается, что используются независимые друг от друга транзакции.

3. Чередующееся выполнение транзакций, следовательно, является верным, если оно эквивалентно некоторому последовательному выполнению, т.е. если оно подлежит упорядочению.

Возвращаясь к приведенным выше примерам (рис. 15.2 – рис. 15.5), можно отметить, что проблема в каждом случае заключалась в том, что чередующееся выполнение транзакций не было упорядочено, т.е. не было эквивалентно выполнению либо сначала транзакции A, а затем транзакции B, либо сначала транзакции B, а затем транзакции A.

Для заданного набора транзакций любой порядок их выполнения (чередующийся или какой-либо другой) называется графиком запуска. Выполнение транзакций по одной без их чередования называется последовательным графиком запуска, а непоследовательное выполнение транзакций – чередующимся графиком запуска или непоследовательным графиком запуска. Два графика называются эквивалентными, если при их выполнении будет получен одинаковый результат, независимо от исходного состояния базы данных. Таким образом, график запуска является верным (т.е. допускающим возможность упорядочения), если он эквивалентен некоторому последовательному графику запуска.

При выполнении двух различных последовательных графиков запуска, содержащих одинаковый набор транзакций, можно получить совершенно различные результаты. Поэтому выполнение двух различных чередующихся графиков запуска с одинаковыми транзакциями может также привести к различным результатам, которые могут быть восприняты как верные.

Теорема двухфазной блокировки (не имеет отношения к протоколу двухфазной фиксации), которая может быть сформулирована следующим образом:

Если все транзакции подчиняются "протоколу двухфазной блокировки", то для всех возможных чередующихся графиков запуска существует возможность упорядочения.

При этом протокол двухфазной блокировки, в свою очередь, формулируется следующим образом.

1. Перед выполнением каких-либо операций с некоторым объектом (например, с кортежем базы данных) транзакция должна заблокировать этот кортеж.

2. После снятия блокировки транзакция не должна накладывать никаких других блокировок.

Таким образом, транзакция, которая подчиняется этому протоколу, характеризуется двумя фазами: фазой наложения блокировки и фазой снятия блокировки.

Характеристика упорядочения может быть выражена следующим образом. Если A и B являются любыми двумя транзакциями некоторого графика запуска, допускающего возможность упорядочения, то либо A логически предшествует B, либо B логически предшествует A, т.е. либо B использует результаты выполнения транзакции A, либо A использует результаты выполнения транзакции B. (Если транзакция A приводит к обновлению кортежей р, q, ... r и транзакция B использует эти кортежи в качестве входных данных, то используются либо все обновленные с помощью A кортежи, либо полностью не обновленные кортежи до выполнения транзакции A, но никак не их смесь.) Наоборот, график запуска является неверным и не подлежит упорядочению, если результат выполнения транзакций не соответствует либо сначала выполнению транзакции A, а затем транзакции B, либо сначала выполнению транзакции B, а затем транзакции A.

В настоящее время с целью понижения требований к ресурсам и, следовательно, повышения производительности и пропускной способности в реальных системах обычно предусмотрено использование не двухфазных транзакций, а транзакций с "ранним снятием блокировки" (еще до выполнения операции прекращения транзакции) и наложением нескольких блокировок. Однако следует понимать, что использование таких транзакций сопряжено с большим риском. Действительно, при использовании недвухфазной транзакции A предполагается, что в данной системе не существует никакой другой чередующейся с ней транзакции B (в противном случае в системе возможно получение ошибочных результатов).

Уровни изоляции транзакции

Термин уровень изоляции, грубо говоря, используется для описания степени вмешательства параллельных транзакций в работу некоторой заданной транзакции. Но при обеспечении возможности упорядочения не допускается никакого вмешательства, иначе говоря, уровень изоляции должен быть максимальным. Однако, как уже отмечалось, в реальных системах по различным причинам обычно допускаются транзакции, которые работают на уровне изоляции ниже максимального.

Уровень изоляции обычно рассматривается как некоторое свойство транзакции. В реальных СУБД может быть реализовано различное количество уровней изоляции.

Кроме того помимо кортежей могут блокироваться другие единицы данных, например целое отношение, база данных или (пример противоположного характера) некоторое значение атрибута внутри заданного кортежа.

Поддержка в языке SQL

SQL поддерживает операции COMMIT и ROLLBACK для фиксации и отката транзакции соответственно.

Специальный оператор SET TRANSACTION используется для определения некоторых характеристик транзакции, которую нужно будет инициировать, такие, как режим доступа и уровень изоляции.

В стандарте языка SQL не предусмотрена поддержка явным образом возможности блокировки (фактически, блокировка в нем вообще не упоминается). Блокировки накладываются неявно, при выполнении операторов SQL.

Литература:

1. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. –Пер. с англ. –6-е изд. –К. Диалектика, 1998. Стр. 354–392.

ЛЕКЦИЯ 16. Технологии СУБД

16.1 Распределенные базы данных

16.2 Принципы функционирования распределенной БД

16.3 Системы типа клиент/сервер

16.4 Серверы баз данных

Распределенные базы данных

Предварительные замечания.

Системы дистрибутивных баз данных состоят из набора узлов, связанных вместе коммуникационной сетью, в которой:

1. каждый узел обладает своими собственными системами баз данных;

2. узлы работают согласованно, поэтому пользователь может получить доступ к данным на любом узле сети, как будто все данные находятся на его собственном узле.

Из этого следует, что так называемая "распределенная база данных" на самом деле является типом виртуального объекта, части которого физически сохраняются в ряду отдаленных "реальных" баз данных на удаленных узлах (фактически, это логическая единица всех этих реальных баз данных).

Каждый узел обладает своими собственными базами данных, собственными локальными пользователями, собственной СУБД и программным обеспечением для управления транзакциями (включая собственное программное обеспечение для блокирования, регистрации, восстановления и т.д.), а также своим собственным локальным диспетчером передачи данных. В частности, пользователь может на собственном локальном узле выполнять операции с данными так, как будто этот узел вовсе не является частью распределенной системы.