2584

Взаимная блокировка

Еще одна проблема, связанная с двухфазной блокировкой, может иметь место при любых схемах освобождения заблокированных элементов. Эта проблема носит название взаимной блокировкой и является следствием того факта, что любая транзакция может быть переведена в состояние ожидания освобождения требуемого ей элемента данных.

Кроме того, транзакции могут входить в состояние

бесконечного ожидания (самоблокировки), не имея возможности установить требуемую им новую блокировку, хотя СУБД не будет фиксировать состояние взаимной блокировки. Эта ситуация возможна в случаях, когда алгоритм перевода транзакций в состояние ожидания недоработан и не принимает во внимание время, на протяжении которого транзакция уже находится в состоянии ожидания. Для исключения самоблокировок может использоваться система приоритетов, в которой приоритет транзакции тем выше, чем дольше она находится в состоянии ожидания. Альтернативным вариантом является использование для ожидающих транзакций очередей, построенной по схеме FIFO.

Взаимная блокировка – это тупиковая ситуация, которая может возникнуть, когда две (или более) транзакции находятся во взаимном ожидании освобождения блокировок, удерживаемых каждой из них.

190

Таблица 48 Пример взаимной блокировки двух транзакций.

Взаимная блокировка возникает, поскольку каждая из двух транзакций входит в состояние ожидания освобождения требуемого ресурса другой транзакцией. В момент времени t2 транзакция Т17 запрашивает и осуществляет блокировку для записи элемента данных balх, а момент времени t3 транзакция Т18 выполняет блокировку для записи элемента данных baly. Ни одна из транзакций не в состоянии продолжать работу, поскольку каждая ожидает завершения работы другой. Если в системе возникает состояние взаимной блокировки, вовлеченные в него приложения не смогут разрешить данную проблему собственными силами. Ответственность за обнаружение взаимных блокировок и выхода тем или иным образом из этой тупиковой ситуации должна быть возложена на СУБД.

К сожалению, существует только один способ нарушить состояние взаимной блокировки – выполнение одной или более транзакций должно быть отменено. Подобное действие будет сопровождаться откатом всех изменении, внесенных отмененными транзакциями.

Существует два общих метода обработки взаимных блокировок: предупреждение этих ситуаций и выявление взаимных блокировок с последующим их устранением.

191

При использовании метода предупреждения взаимных блокировок СУБД заранее определяет ситуации, в которых транзакция сможет вызвать появление и устранение взаимных блокировок. При использовании второго метода, СУБД допускает появление подобных ситуаций в системе, однако затем распознает их появление и организует выход из сложившейся тупиковой ситуации. Второй метод проще первого, поэтому он чаще употребим.

Выявление взаимных блокировок

Выявление взаимных блокировок обычно производится с помощью конструкции, называемой графом ожидания. Этот граф отражает зависимость транзакций друг от друга. Транзакция Ti зависит от Tj в том случае, если транз. Tj заблокировала элемент данных, необходимый для продолжения работы тр. Ti. Граф ожидания строится следующим образом.

Для каждой выполняющейся транзакции создается отдельная вершина.

Отдельное направленное ребро Ti->Tj ___создается для каждого случая, когда транзакция Ti ожидает освобождения элемента данных, заблокированного транзакцией Tj.

Взаимная блокировка имеет место в том и только в том случае, если граф ожидания содержит петлю.

Граф ожидания для последнего примера.

а

192

На рис.4 показан граф ожиданий для транзакций предыдущего примера. Этот граф содержит петлю (Т17->Т18- >Т17), поэтому можно сделать заключение, что в системе имеет место ситуация взаимной блокировки.

Поскольку наличие петли в графе ожиданий является необходимым и достаточным условием существования в системе ситуаций взаимной блокировки, алгоритм выявления этих ошибочных ситуаций предполагает генерирование через регулярные интервалы времени графа текущих ожиданий в системе и анализ его на наличие петель. При этом выбор интервала времени между последовательными генерациями графа имеет важное значение. Если он слишком мал – выявление взаимных блокировок создаст в системе заметную перегрузку, если слишком велик – наличие взаимной блокировки может оставаться незамеченным достаточно продолжительное время.

6.4 Предупреждение взаимных блокировок

Один из возможных подходов предупреждения взаимных блокировок состоит в установлении порядка выполнения транзакций на основе использования временных отметок. Были предложены два возможных алгоритма.

Первый, получивший название «ожидание-отмена», требует, чтобы более старые транзакции ожидали завершения более новых. В противном случае транзакция отменяется и перезапускается с той же самой временной отметкой. Однако рано или поздно она станет самой старой из активных транзакций и уже не будет отменена.

Второй алгоритм, «отмена-ожидание», использует диаметрально противоположный подход: только более новые транзакции могут ожидать завершения более старой транзакции. Если более старая транзакция потребует выполнения блокировки элемента данных, уже заблокированного более новой транзакцией, последняя будет отменена.

193

Использование временных отметок

Использование методов блокировки с сочетании с двухфазным протоколом гарантирует упорядоченность графиков. Порядок следования транзакций в эквивалентном последовательном графике основывается на той очередности, в которой транзакции выполняют блокировку требуемых им элементов данных. Если транзакции требуется элемент, который уже заблокирован другой транзакцией, она переводится в состояние ожидания вплоть до освобождения требуемого ресурса. Другой подход, который тоже гарантирует достижение упорядоченности, для определения очередности выполнения транзакций в эквивалентном последовательном графике использует временные отметки транзакций

Методы использования временных отметок совершенно отличаются от методов с использованием блокировок. Эти методы не предусматривают какого-либо ожидания – вовлеченные в конфликт транзакции просто отменяются, после чего запускаются заново.

Временная отметка – уникальный идентификатор, создаваемый СУБД с целью обозначения относительного момента времени запуска транзакции.

Метод использования временных отметок – это протокол управления параллельностью, основная цель которой состоит в установлении глобальной очередности выполнения транзакций, при которой боле старые транзакции (транзакции с меньшим значением временной отметки) имеют более высокий приоритет при разрешении возникающих конфликтов.

При использовании протокола временных отметок, если транзакция предпринимает попытку чтения или записи элемента данных, операция чтения или записи выполняется только в том случае, если последнее обновление требуемого элемента данных было выполнено более старой транзакцией. В противном случае транзакция, запросившая операцию

194

чтения/записи, отменяется и перезапускается с присвоением ей новой временной отметки. Без получения новой временной отметки транзакция с более старой временной отметкой не сможет завершить свою работу, поскольку более новая транзакция уже успела зафиксировать свои результаты в базе данных.

Помимо временных отметок для транзакций, в системе должны использоваться временные отметки для элементов данных. Каждый элемент данных должен иметь временную отметку чтения, содержащую временную отметку последней из транзакций, выполнявших его чтение, и

временную отметку записи, содержащую временную отметку последней транзакции, записавшей содержимое этого элемента данных.

Согласно протоколу с упорядочиванием по временным отметкам, обработка транзакции Т, имеющей временную отметку (Т), выполняется следующим образом.

Вариант 1. Транзакция Т выдает команду «чтение (х)» Транзакция Т запрашивает операцию чтения элемента

данных (х), который уже обновлялся более новой (поздней) транзакцией:

Если (Т) < запись (х) - то более старая транзакция опоздала и уже не может считать

предыдущее, устаревшее значение, поэтому весьма вероятно, что любые другие считанные ею значения данных могут быть не согласованы с измененным значением. В этом случае выполнение транзакции Т должно быть прекращено, после чего ее следует перезапустить с новой временной отметкой.

В противном случае (Т)>запись (х) – операция чтения может быть выполнена.

Вариант 2. Транзакция Т выдает команду «запись (х)» Транзакция Т запрашивает операцию записи элемента

данных (х), значение которого уже было считано более новой (поздней) транзакцией:

Если (Т) < чтение (х) - то

195

более новая транзакция уже использовала текущее значение элемента данных и в результате его обновления данной транзакцией может возникнуть ошибка. подобная ситуация возникает в тех случаях, когда транзакция опоздала с выполнением записи и более новая транзакция уже считала жлемент данных или даже перезаписала его.

В этом случае следует выполнить откат транзакции Т и перезапустить ее с использованием новой временной отметки.

Транзакция Т запрашивает операцию записи элемента данных (х), значение которого уже было перезаписано более новой (поздней) транзакцией:

Если (Т) < запись (х)

Это означает, что транзакция Т пытается поместить в элемент данных (х) устаревшее значение.

В этом случае выполнение транзакции Т должно быть прекращено, после чего ее следует перезапустить с новой временной отметкой.

В противном случае операция записи может быть выполнена, а временной отметке записи обновляемого элемента данных должно быть присвоено новое значение:

запись (х) = (Т)

Эта схема, называемая базовым протоколом упорядочивания по временным отметкам, гарантирует, что график выполнения транзакций будет конфликтно упорядоченным, а результаты его выполнения будут эквиваленты последовательному графику, в котором транзакции выполняются в хронологическом порядке присваивания им временных отметок.

Однако базовый протокол упорядочивания по временным отметкам не обеспечивает восстанавливаемости графиков.

Правило записи Томаса

Для обеспечения повышенного уровня параллельности может использоваться модернизированный базовый протокол

196

упорядочивания по временным отметкам, который позволяет достичь менее жесткой упорядоченности за счет отмены устаревших операций записи. Это расширение известно как

правило записи Томаса.

Транзакция Т запрашивает операцию записи элемента данных (х), значение которого уже было считано более новой (поздней) транзакцией:

Если (Т) < чтение (х) - то В этом случае транзакция Т откатывается и

перезапускается с использованием новой временной отметки. Транзакция Т запрашивает операцию записи элемента данных (х), значение которого уже было перезаписано более

новой (поздней) транзакцией: Если (Т) < запись (х)

Это означает, что более новая транзакция уже перезаписала значение этого элемента данных и значение, которое более старая транзакция собирается записать в данный элемент, было вычислено на основе устаревшего исходного значения данного элемента. В подобном случае операция записи вполне безопасно может быть проигнорирована. Этот метод иногда называется правилом игнорирования устаревшей записи. Его применение позволяет повысить уровень параллельности обработки в системе.

В противном случае операция записи может быть выполнена, а временной отметке записи обновляемого элемента данных должно быть присвоено новое значение:

запись (х) = (Т)

Применение правила Томаса позволяет генерировать графики, которые невозможно создать при использовании каких-либо других протоколов управления параллельностью.

197

Таблица 49 Пример базового протокола упорядочивания по временным отметкам.

198

Т19 имеет временную отметку (Т19), Т20 – (Т20), Т21 – (Т21) (Т19)<(Т20)<(Т21)

*- в момент времени t8 операция записи в Т20 нарушает первое правило записи, приведенное в описании протокола с использованием временных отметок. Поэтому она отменяется и вновь запускается в момент времени t14.

**- в момент времени t14 операция записи в Т19 может быть безопасно проигнорирована с использованием правила игнорирования устаревших операций записи, поскольку Т21 уже поместила новое значение в этот элемент данных в момент t12.

Оптимистические технологии

В некоторых типах вычислительных систем конфликты между транзакциями происходят очень редко, поэтому сложные технологии оказываются совершенно излишними.

Оптимистические технологии основываются на предположении, что конфликты возможны нечасто, поэтому эффективнее будет организовать выполнение транзакций, исключив все задержки, связанные с достижением гарантированной упорядоченности. Перед завершением работы транзакции выполняется проверка с целью определения, имел ли место конфликт. Если это так, транзакция откатывается и перезапускается. Подобная технология потенциально позволяет достичь существенно более высокого уровня параллельности по сравнению с традиционными протоколами, поскольку не требует использования механизма блокировок.

Оптимистический протокол управления параллельностью включает до трех фаз, в зависимости от того, выполняется ли в данной транзакции только чтение или еще и обновление информации.

Фаза чтения. Она охватывает транзакцию от ее начала вплоть до момента непосредственного выполнения фиксации результатов. Транзакция считывает значения всех

199