Восстанавливаемость

Упорядочиваемые графики – графики, которые позволяют сохранить согласованность базы данных при условии, что ни одна из транзакций этого графика не будет отменена.

Противоположный подход позволяет проанализировать восстанавливаемость транзакций, входящих в данный график. В том случае, если выполнение транзакции было отменено, свойство неразрывности требует, чтобы были отменены все результаты ее выполнения. Кроме того, свойство устойчивости требует, чтобы после фиксации результатов транзакции выполненные ею изменения нельзя было отменить (без запуска другой, компенсирующей транзакции).

Сформулируем понятие восстанавливаемого графика.

Восстанавливаемый график – график, в котором для каждой пары транзакций Т_i и Т_j выполняется следующее правило: если транзакция Т_j считывает элемент данных, предварительно записанный транзакцией Т_i, то фиксация результатов транзакции Т_i должна выполняться до фиксации результатов транзакции Т_j.

Методы управления параллельным доступом

Упорядочиваемость транзакций может быть достигнута несколькими различными способами. Существуют два основных метода управления параллельным доступом, позволяющих организовать одновременное безопасное выполнение транзакций при соблюдении определенных ограничений: метод блокировки и метод временных отметок.

По сути, и блокировка, и использование временных отметок являются консервативными (или пессимистическими) подходами, поскольку они откладывают выполнение транзакций, способных в будущем в тот или иной момент времени войти в конфликт с другими транзакциями.

Оптимистические методы строятся на предположении, что вероятность конфликта невысока, поэтому они допускают асинхронное выполнение транзакций, а проверка на наличие конфликта откладывается на момент их завершения и фиксации в базе данных.

Методы блокировки

Блокировка – процедура, используемая для управления параллельным доступом к данным.

Когда некоторая транзакция получает доступ к базе данных, механизм блокировки позволяет (с целью предотвращения получения некорректных результатов) запретить попытки получения доступа к этим же данным со стороны других транзакций.

Именно методы блокировки чаще всего используются на практике для обеспечения упорядочиваемости параллельно выполняемых транзакций. Существует несколько различных вариантов этого механизма, однако все они построены на одном и том же фундаментальном принципе: транзакция должна потребовать выполнить блокировку для чтения (разделяемую) или для записи (исключительную) некоторого элемента данных перед тем, как она сможет выполнить в базе данных соответствующую операцию чтения или записи. Установленная блокировка препятствует модификации элемента данных другими транзакциями или даже его считыванию, если эта блокировка является исключительной. Блокировка может быть выполнена для элементов самого различного размера – начиная с базы данных в целом и заканчивая отдельным полем конкретной записи. Размер блокируемого элемента определяется степенью детализации устанавливаемой блокировки. Реально блокировка может осуществляться посредством установки некоторого бита в соответствующем элементе данных, означающего, что этот фрагмент базы данных является заблокированным. Иной подход состоит в организации списка заблокированных элементов базы. Существуют и другие методы реализации данного механизма. Ниже представлены основные правила блокировки.

Разделяемая блокировка – блокировка элемента данных, при которой может выполняться чтение этого элемента, но не его обновление.

Исключительная блокировка – блокировка элемента данных, при которой могут выполняться и чтение, и обновление этого элемента.

Поскольку разделяемые блокировки не могут служить причиной конфликта, допускается устанавливать разделяемые блокировки для чтения одного и того же элемента одновременно со стороны сразу нескольких транзакций. В то же время исключительная блокировка предоставляет транзакции исключительное право доступа к определенному элементу данных. Следовательно, до тех пор, пока транзакция обладает исключительной блокировкой, которая распространяется на некоторый элемент данных, больше ни в одной транзакции нельзя выполнять операции чтения или обновления этого элемента данных. Блокировки обычно используются, как показано ниже.

• Любая транзакция, которой необходимо получить доступ к элементу данных, должна вначале выполнить блокировку этого элемента. Для этого может быть затребована разделяемая блокировка, обеспечивающая доступ к элементу только для чтения, или исключительная блокировка, которая предоставляет доступ и для чтения, и для записи.

• Если элемент еще не заблокирован какой-либо иной транзакцией, блокировка элемента будет выполнена успешно.

• Если элемент данных в настоящий момент уже заблокирован, СУБД проанализирует, является ли тип полученного запроса совместимым с типом уже существующей блокировки. Если запрашивается разделяемая блокировка для доступа к элементу, на который уже распространяется другая разделяемая блокировка, запрос на предоставление блокировки выполняется успешно. В противном случае транзакция переходит в состояние ожидания, которое будет продолжаться до тех пор, пока существующая блокировка не будет снята.

• Транзакция продолжает удерживать блокировку элемента данных до тех пор, пока явным образом не освободит ее – либо в ходе своего выполнения, либо по окончании (успешном или неуспешном). Только после того как с элемента данных будет снята исключительная блокировка, результаты выполненной операции записи станут доступными для других транзакций.

Помимо этих правил, в некоторых системах транзакциям разрешается устанавливать разделяемую блокировку на некотором элементе данных, а затем повышать уровень этой блокировки до исключительной. Такая организация работы фактически позволяет вначале определить в транзакции состояние обрабатываемых данных, а затем принять решение, следует ли их изменять. Если механизм повышения уровня блокировки не поддерживается, то любая транзакция должна устанавливать исключительные блокировки на всех элементах данных, которые могут потребовать обновления на некотором этапе выполнения транзакции. Но такая организация работы может привести к уменьшению степени распараллеливания операций в системе. По этой же причине в некоторых системах транзакциям разрешается устанавливать исключительную блокировку элемента данных с последующим переходом на более низкий уровень блокировки, т.е. переходить от исключительной к разделяемой блокировке.

Как описано выше, использование в транзакциях блокировок само по себе не гарантирует упорядочиваемости графиков выполнения транзакции.

Для обеспечения упорядочиваемости следует использовать дополнительный протокол, определяющий моменты установки и снятия блокировки для каждой из транзакций. Самым известным из таких протоколов является метод двухфазной блокировки (2PL).