Теория баз данных
       

Параллельное выполнение транзакций


Если с БД работают одновременно несколько пользователей, то обработка транзакций должна рассматриваться с новой точки зрения. В этом случае СУБД должна не только корректно выполнять индивидуальные транзакции и восстанавливать согласованное состояние БД после сбоев, но она призвана обеспечить корректную параллельную работу всех пользователей над одними и теми же данными. По теории каждый пользователь и каждая транзакция должны обладать свойством изолированности, то есть они должны выполняться так, как если бы только один пользователь работал с БД. И средства современных СУБД позволяют изолировать пользователей друг от друга именно таким образом. Однако в этом случае возникают проблемы замедления работы пользователей. Рассмотрим более подробно проблемы, которые возникают при параллельной обработке транзакций.

Основные проблемы, которые возникают при параллельном выполнении транзакций, делятся условно на 4 типа:

  • Пропавшие изменения. Эта ситуация может возникать, если две транзакции одновременно изменяют одну и ту же запись в БД. Например, работают два оператора на приеме заказов, первый оператор принял заказ на 30 мониторов. Когда он запрашивал склад, то там числилось 40 мониторов, и он, получив подтверждение от клиента, выставил счет и оформил продажу 30 мониторов из 40. Параллельно с ним работает второй оператор, который принимает заказ на 20 таких же мониторов (ну уж очень хорошая модель и дешево) и, в свою очередь запросив состояние склада и получив исходно ту же цифру 40, он успешно оформляет заказ для своего клиента. Заканчивая работу с данным заказом, он выполняет команду Обновить (UPDATE), которая заносит 20 как остаток любимых мониторов на складе. Но после этого, наконец, любезно попрощавшись со своим клиентом и заверив его в скорейшей доставке заказанных мониторов, заканчивает работу со своим заказом первый оператор и также выполняет команду Обновить и заносит 10 как остаток тех же мониторов на складе. Каждый из них доволен своей работой, но мы-то знаем, что произошло.
    Прежде всего, они продали 50 мониторов из наличествующих 40 штук, и далее на складе еще числится 10 подобных мониторов. БД теперь находится в несогласованном состоянии, а у фирмы возникли серьезные проблемы. Изменения, сделанные вторым оператором, были проигнорированы программой выполнения заказа, с которой работал первый оператор. Подобная ситуация представлена на рис. 11.5.

  • Проблемы промежуточных данных. Рассмотрим ту же проблему одновременной работы двух операторов. Допустим, первый оператор, ведя переговоры со своим заказчиком, ввел заказанные 30 мониторов, но перед окончательным оформлением заказа клиент захотел выяснить еще некоторые характеристики товара. Приложение, с которым работает первый оператор, уже изменило остаток мониторов на складе, и там сейчас находится информация о 10 оставшихся мониторах. В это время второй оператор пытается принять заказ от своего клиента на 20 мониторов, но его приложение показывает, что на складе осталось всего 10 мониторов, и оператор вынужден отказать выгодному клиенту, который идет в другую фирму, весьма неудовлетворенный работой нашей компании. А в этот момент клиент оператора 1 заканчивает обсуждение дополнительных характеристик наших мониторов и принимает весьма невыгодное решение не покупать у нас мониторы, и приложение оператора 1 выполняет откат транзакции, и на складе снова оказывается 40 мониторов. Мы потеряли выгодного заказчика, но еще хуже было бы, если бы клиент второго оператора согласился на 10 оставшихся мониторов, и приложение, с которым работает оператор два, отработав свой алгоритм, занесло О (ноль) оставшихся мониторов на складе, а после этого приложение оператора один снова бы записало исходные 40 мониторов на складе, хотя 10 их них уже проданы. Такая ситуация оказалась возможной потому, что приложение второго оператора имело доступ к промежуточным данным, которые сформировало первое приложение.



    Рис. 11.5. Проблема пропавших обновлений.

  • Проблемы несогласованных данных. Рассмотрим ту же самую ситуацию с заказом мониторов.


    Предположим, что ситуация несколько изменилась. И оба оператора начинают работать практически одновременно. Они оба получают начальное состояние склада 40 мониторов, а далее первый оператор успешно завершает переговоры со своим клиентом и продает ему 30 мониторов. Он завершает работу своего приложения, и оно выполняет команду фиксации транзакции COMMIT. Состояние базы данных непротиворечивое. В этот момент, выяснив все тонкости и характеристики наших мониторов, клиент второго оператора также решает сделать заказ, и второй оператор, повторно получая состояние склада, видит, что оно изменилось. База данных находится в непротиворечивом состоянии, но второй оператор считает, что нарушена целостность его транзакции, в течение выполнения одной работы он получил два различных состояния склада. Эта ситуация возникла потому, что приложение первого оператора смогло изменить кортеж с данными, который уже прочитало приложение второго оператора.

  • Проблемы строк-призраков (строк-фантомов). Предположим, что администратор нашей фирмы поручил секретарю напечатать итоговый отчет по результатам работы за текущий месяц. И допустим, что приложение печатает отчет в двух видах: в подробном и в укрупненном. В момент, когда приложение печати начало формировать свой первый вид отчета, один из операторов принимает еще один заказ, поэтому к моменту формирования укрупненного отчета в БД появились новые сведения о продажах, которые и были внесены в укрупненный отчет. Мы получили два отчета в одном приложении, которые содержат разные цифры и не совпадают друг с другом. Такое стало возможно потому, что приложение печати выполнило два одинаковых запроса и получило два разных результата. БД находится в согласованном состоянии, но приложение печати работает некорректно.

    Для того чтобы избежать подобных проблем, требуется выработать некоторую процедуру согласованного выполнения параллельных транзакций. Эта процедура должна удовлетворять следующим правилам:

  • В ходе выполнения транзакции пользователь видит только согласованные данные.




    Пользователь не должен видеть несогласованных промежуточных данных.

  • Когда в БД две транзакции выполняются параллельно, то СУБД гарантированно поддерживает принцип независимого выполнения транзакций, который гласит, что результаты выполнения транзакций будут такими же, как если бы вначале выполнялась транзакция 1, а потом транзакция 2, или наоборот, сначала транзакция 2, а потом транзакция 1.

    Такая процедура называется сериализацией транзакций. Фактически она гарантирует, что каждый пользователь (программа), обращающаясь к базе данных, работает с ней так, как будто не существует других пользователей (программ), одновременно с ним обращающихся к тем же данным.

    Для поддержки параллельной работы транзакций строится специальный план.

    План (способ) выполнения набора транзакций называется сериальным, если результат совместного выполнения транзакций эквивалентен результату некоторого последовательного выполнения этих же транзакций.

    Самым простым было бы последовательное выполнение транзакций, но такой план не оптимален по времени, существуют более гибкие методы управления параллельным доступом к БД. Наиболее распространенным механизмом, который используется коммерческими СУБД для реализации на практике сериали-зации транзакций является механизм блокировок. Самый простой вариант — это блокировка объекта на все время действия транзакции. Подобный пример рассмотрен на рис. 11.6. Здесь две транзакции, названные условно А и В, работают с тремя таблицами: T1, T2 и Т3. В момент начала работы с любым объектом этот объект блокируется транзакцией, которая с ним начала работу, и он становится недоступным всем другим транзакциям до окончания транзакции, заблокировавшей («захватившей») данный объект. После окончания транзакции все заблокированные ею объекты разблокируются и становятся доступными другим транзакциям. Если транзакция обращается к заблокированному объекту, то она остается в состоянии ожидания до момента разблокировки этого объекта, после чего она может продолжать обработку данного объекта.


    Поэтому транзакция В ожидает разблокировки таблицы Т2 транзакцией А. Над прямоугольниками стоит условное время выполнения операций.



    Рис. 11.6. Блокировки при одновременном выполнении двух транзакций

    В общем случае на момент выполнения транзакция получает как бы монопольный доступ к объектам БД, с которыми она работает. В этом случае другие транзакции не получают доступа к объектам БД до момента окончания транзакции. Такой механизм действительно ликвидирует все перечисленные ранее проблемы: пропавшие изменения, неподтвержденные данные, несогласованные данные, строки-фантомы. Однако такая блокировка создает новые проблемы — задержку выполнения транзакций из-за блокировок.

    Рассмотрим существующие типы конфликтов между двумя параллельными транзакциями. Можно выделить следующие типы:

  • W-W — транзакция 2 пытается изменять объект, измененный незакончившейся транзакцией 1;

  • R-W — транзакция 2 пытается изменять объект, прочитанный незакончившейся транзакцией 1;

  • W-R — транзакция 2 пытается читать объект, измененный незакончившейся транзакцией 1.

    Практические методы сериализации транзакций основываются на учете этих конфликтов.

    Блокировки, называемые также синхронизационными захватами объектов, могут быть применены к разному типу объектов. Наибольшим объектом блокировки может быть вся БД, однако этот вид блокировки сделает БД недоступной для всех приложений, которые работают с данной БД. Следующий тип объекта блокировки — это таблицы. Транзакция, которая работает с таблицей, блокирует ее на все время выполнения транзакции. Именно такой вид блокировки рассмотрен в примере 11.7. Этот вид блокировки предпочтительнее предыдущего, потому что позволяет параллельно выполнять транзакции, которые работают с другими таблицами.

    В ряде СУБД реализована блокировка на уровне страниц. В этом случае СУБД блокирует только отдельные страницы на диске, когда транзакция обращается к ним. Этот вид блокировки еще более мягок и позволяет разным транзакциям работать даже с одной и той же таблицей, если они обращаются к разным страницам данных.



    В некоторых СУБД возможна блокировка на уровне строк, однако такой механизм блокировки требует дополнительных затрат на поддержку этого вида блокировки.

    В настоящее время проблема блокировок является предметом большого числа исследований.

    Для повышения параллельности выполнения транзакций используется комбинирование разных типов синхронизационных захватов.

    Рассматривают два типа блокировок (синхронизационных захватов):

  • совместный режим блокировки — нежесткая, или разделяемая, блокировка, обозначаемая как S (Shared). Этот режим обозначает разделяемый захват объекта и требуется для выполнения операции чтения объекта. Объекты, заблокированные таким образом, не изменяются в ходе выполнения транзакции и доступны другим транзакциям также, но только в режиме чтения;

  • монопольный режим блокировки — жесткая, или эксклюзивная, блокировка, обозначаемая как X (eXclusive). Данный режим блокировки предполагает монопольный захват объекта и требуется для выполнения операций занесения, удаления и модификации. Объекты, заблокированные данным типом блокировки, фактически остаются в монопольном режиме обработки и недоступны для других транзакций до момента окончания работы данной транзакции.

    Захваты объектов несколькими транзакциями по чтению совместимы, то есть нескольким транзакциям допускается читать один и тот же объект, захват объекта одной транзакцией по чтению не совместим с захватом другой транзакцией того же объекта по записи, и захваты одного объекта разными транзакциями по записи не совместимы. Правила совместимости захватов одного объекта разными транзакциями изображены на рис. 11.7:





    Рис. 11.7. Правила применения жесткой и нежесткой блокировок транзакций

    В примере, представленном на рис. 11.7 считается, что первой блокирует объект транзакция А, а потом пытается получить к нему доступ транзакция В.

    На рис. 11.8 приведен ранее рассмотренный пример с выполнением транзакций 1 и 2, но с учетом разных типов блокировки. На рисунке видно, что, применив нежесткую блокировку к таблице 2 со стороны транзакции 1, мы обеспечили существенное уменьшение времени выполнения транзакции 2.


    Теперь транзакция 2 не ждет окончания транзакции 1, и поэтому завершает свою работу намного раньше.



    Рис. 11.8. Использование жесткой и нежесткой блокировки

    К сожалению, применения разных типов блокировок приводит к проблеме тупиков. Эта проблема не нова. Проблема тупиков возникла при рассмотрении выполнения параллельных процессов в операционных средах и также была связана с управлением разделяемыми (совместно используемыми) ресурсами.

    Действительно, рассмотрим пример. Пусть транзакция А сначала жестко блокирует таблицу 1, а потом жестко блокирует таблицу 2. Транзакция В, наоборот, сначала жестко блокирует таблицу 2, а потом жестко блокирует таблицу 1. Если обе эти транзакции начали работу одновременно, то после выполнения операций модификации первыми объектами каждой транзакции они обе окажутся в бесконечном ожидании: транзакция А будет ждать завершения работы транзакции В и разблокировки таблицы 2, а транзакция В также безрезультатно будет ждать окончания работы транзакции А и разблокировки таблицы 1 (см. рис. 11.9).



    Рис. 11.9. Взаимная блокировка транзакций

    Ситуации могут быть гораздо более сложными. Количество взаимно заблокированных транзакций может оказаться гораздо больше. Эту ситуацию каждая из транзакций обнаружить самостоятельно не может. Ее должна разрешить СУБД. И действительно, в большинстве коммерческих СУБД существует механизм обнаружения таких тупиковых ситуаций.

    Основой обнаружения тупиковых ситуаций является построение (или постоянное поддержание) графа ожидания транзакций. Граф ожидания транзакций может строиться двумя способами. В книге К. Дж. Дейта граф ожидания — это направленный граф, в вершинах которого расположены имена транзакций. Если транзакция А ждет окончания транзакции В, то из вершины А в вершину В идет стрелка. Дополнительно стрелки могут быть помечены именами заблокированных объектов и типом блокировки. Пример такого графа ожиданий приведен на рис. 11.10.

    Этот граф ожиданий построен для транзакций T1l, T2.....T12, которые работают с объектами БД А,В,...,Н.



    Перечень действий, которые совершают транзакции над объектами, приведен в табл. 11.1.

    Рис. 11.10. Пример графа ожиданий транзакций Таблица 11.1. Перечень действий множества транзакций

    Время

    		 Транзакция

    		 Действие
    0

    		 Т1

    		 Select A
    1

    		 Т2

    		 Select В
    2

    		 Т1

    		 Select С
    3

    		 Т4

    		 Select D
    4

    		 Т5

    		 Select A
    5

    		 Т2

    		 Select E
    6

    		 Т2

    		 Update E
    7

    		 ТЗ

    		 Select F
    8

    		 Т2

    		 Select F
    9

    		 Т5

    		 Update A
    10

    		 Т1

    		 Commit
    11

    		 Т6

    		 Select A
    12

    		 Т5

    		 Commit
    13

    		 Т6

    		 Select С
    14

    		 Т6

    		 Update С
    15

    		 Т7

    		 Select G
    16

    		 Т8

    		 Select H
    17

    		 Т9

    		 Select G
    18

    		 Т9

    		 Update G
    Время

    		 Транзакция

    		 Действие
    19

    		 Т8

    		 Select E
    20

    		 Т7

    		 Commit
    21

    		 Т9

    		 Select H
    22

    		 ТЗ

    		 Select G
    23

    		 Т10

    		 Select A
    24

    		 Т9

    		 Update H
    25

    		 Т6

    		 Commit
    26

    		 Т11

    		 Select С
    27

    		 Т12

    		 Select D
    28

    		 Т12

    		 Select С
    29

    		 Т2

    		 Update F
    30

    		 Т11

    		 Update С
    31

    		 Т12

    		 Select A
    32

    		 Т10

    		 Update A
    33

    		 Т12

    		 Update D
    34

    		 Т2

    		 Select G
    35

    		 _

    		 -
    На графе объекты блокировки помечены типами блокировок, S — нежесткая (разделяемая) блокировка, X — жесткая (эксклюзивная) блокировка.

    На диаграмме состояний ожидания видно, что транзакции Т9, Т8, Т2 и Т3 образуют цикл. Именно наличие цикла и является признаком возникновения тупиковой ситуации. Поэтому в момент 3 перечисленные транзакции будут заблокированы.

    Разрушение тупика начинается с выбора в цикле транзакций так называемой транзакции-жертвы, то есть транзакции, которой решено пожертвовать, чтобы обеспечить возможность продолжения работы других транзакций.

    Критерием выбора является стоимость транзакции; жертвой выбирается самая дешевая транзакция. Стоимость транзакции определяется на основе многофакторной оценки, в которую с разными весами входят время выполнения, число накопленных захватов, приоритет.



    После выбора транзакции- жертвы выполняется откат этой транзакции, который может носить полный или частичный характер. При этом, естественно, освобождаются захваты и может быть продолжено выполнение других транзакций.

    В лекциях профессора С. Д. Кузнецова приводится несколько иной принцип построения графа ожидания. В этом случае граф ожидания транзакций строится в виде ориентированного двудольного графа, в котором существует два типа вершин — вершины, соответствующие транзакциям, и вершины, соответствующие объектам захвата. В этом графе существует дуга, ведущая из вершины-транзакции к вершине-объекту, если для этой транзакции существует удовлетворенный захват объекта. В графе существует дуга из вершины-объекта к вершине-транзакции, если транзакция ожидает удовлетворения захвата объекта.

    Для распознавания тупика здесь, так же как и в первом методе, производится построение графа ожидания транзакций и в этом графе ищутся циклы. Традиционной техникой (для которой существует множество разновидностей) нахождения циклов в ориентированном графе является редукция графа.

    Не вдаваясь в детали, редукция состоит в том, что прежде всего из графа ожидания удаляются все дуги, исходящие из вершин-транзакций, в которые не входят дуги из вершин-объектов. (Это как бы соответствует той ситуации, что транзакции, не ожидающие удовлетворения захватов, успешно завершились и освободили захваты.) Для тех вершин-объектов, для которых не осталось входящих дуг, но существуют исходящие, ориентация исходящих дуг изменяется на противоположную (это моделирует удовлетворение захватов). После этого снова срабатывает первый шаг, и так до тех пор, пока на первом шаге не прекратится удаление дуг. Если в графе остались дуги, то они обязательно образуют цикл.

    Естественно, такое насильственное устранение тупиковых ситуаций является нарушением принципа изолированности пользователей.

    Заметим, что в централизованных системах стоимость построения графа ожидания сравнительно невелика, но она становится слишком большой в по-настоящему распределенных СУБД, в которых транзакции могут выполняться в разных узлах сети.


    Поэтому в таких системах обычно используются другие методы сериализации транзакций.

    Для обеспечения сериализации транзакций синхронизационные захваты объектов, произведенные по инициативе транзакции, можно снимать только при ее завершении. Это требование порождает двухфазный протокол синхронизационных захватов — 2PL(two phase lock) или 2РС (two phase commit). В соответствии с этим протоколом выполнение транзакции разбивается на две фазы:

  • первая фаза транзакции — накопление захватов;

  • вторая фаза (фиксация или откат) — освобождение захватов.

    В языке SQL введен оператор явной блокировки таблицы, который позволяет точно задать тип блокировки для всей таблицы. Синтаксис операции блокировки имеет вид:

    LOCK TABLE имя_таблицы IN {SHARED | EXCLUSIVE} MODE

    Имеет смысл блокировать таблицу полностью, когда выполняется операция множественной модификации одной таблицы, то есть когда в ней изменяется большое количество строк. Эта операция иногда называется пакетным обновлением.

    Конечно, у блокировки таблицы есть тот недостаток, что все остальные транзакции должны ждать окончания обновления таблицы. Но режим пакетного обновления одной таблицы работает достаточно быстро, и общая производительность выполнения множества транзакций может даже повыситься в этом случае.


    Содержание раздела