数据库系统（六）数据库事务处理技术

数据库事务处理技术-并发控制

📌 本讲学习目标

• 基本内容
  1. 理解并发控制的必要性
  2. 掌握事务调度及可串行性概念
  3. 掌握基于封锁的并发控制方法
  4. 理解基于时间戳的并发控制方法
  5. 了解基于有效性确认的并发控制方法
• 重点难点
  • 三种并发不一致性问题及产生原因
  • 事务ACID特性与并发控制关系
  • 冲突可串行性判别算法
  • 两段封锁协议原理与应用
  • 基于时间戳的并发控制规则

---

🔍 为什么需要并发控制

并发操作导致的问题

1. 丢失修改

   • 后一次修改覆盖前一次修改结果
   • 示例：两个事务同时减少账户余额

2. 不可重复读

   • 同一事务两次读取同一数据结果不一致
   • 示例：事务A读取数据后被事务B修改

3. 脏读

   • 读取到未提交的无效数据
   • 示例：事务A读取事务B未提交的修改，随后B回滚

并发控制必要性

• 保证多用户并发访问时数据一致性
• 避免上述三种典型不一致性问题
• 确保数据库始终处于有效状态

---

📦 事务的概念与特性

事务定义

• 宏观：应用程序员视角
  一组SQL语句的逻辑执行单元（BEGIN TRANSACTION → COMMIT/ROLLBACK）
• 微观：DBMS视角
  一系列基本操作（读、写）的整体执行序列

ACID特性

特性	描述	保证机制
原子性	事务操作要么全做，要么全不做	日志与恢复
一致性	事务操作保持数据一致性	并发控制
隔离性	并发事务互不干扰	并发控制
持久性	已提交事务结果永久保存	日志与恢复

graph LR
A[应用程序] --> B[事务管理器]
B --> C[调度器]
C --> D[锁表/时间戳]
D --> E[数据存储]

---

🔄 事务调度与可串行性

基本概念

• 调度：事务基本操作（读、写）的执行顺序
• 串行调度：事务顺序执行，无交叉
• 并发调度：操作交叉执行

可串行性

• 定义：若调度效果等价于某个串行调度，则称其可串行化
• 冲突可串行性：通过交换相邻无冲突操作可转换为串行调度
  • 冲突操作：不同事务对同一数据的读写/写写操作
  • 非冲突：不同事务对不同数据的操作

冲突可串行性判别算法

1. 构造前驱图
   • 结点：事务
   • 边：Tᵢ → Tⱼ（若Tᵢ操作在Tⱼ前且冲突）
2. 检测环存在
   • 无环 → 冲突可串行化
   • 有环 → 非冲突可串行化

示例：
调度：r₂(A); r₁(B); w₂(A); r₃(A); w₁(B); w₃(A); r₂(B); w₂(B)
前驱图：T₁ → T₂（因w₁(B)在r₂(B)前）→ 无环，可串行化

---

🔒 基于封锁的并发控制

锁的类型

锁类型	描述	相容性
共享锁(S)	允许多读，禁止写	S相容，X不相容
排他锁(X)	禁止其他读写	均不相容
更新锁(U)	初始读，可升级写	特殊规则

封锁协议

协议级别	加锁规则	解决不一致性
0级	写前加X锁，操作完即释放	丢失修改
1级	写前加X锁，事务结束释放	丢失修改+脏读
2级	读前加S锁（用完释放），写前加X锁（事务结束释放）	丢失修改+脏读+不可重复读
3级	读写前加锁，事务结束释放	所有不一致性

SQL隔离级别

隔离级别	脏读	不可重复读	幻读	对应协议
读未提交	✓	✓	✓	0级
读已提交	✗	✓	✓	1级
可重复读	✗	✗	✓	2级
可串行化	✗	✗	✗	3级

---

⏱️ 基于时间戳的并发控制

核心概念

• 时间戳：事务启动时分配的唯一递增标识
• 数据元素标记：
  • RT(x)：最后读x的事务时间戳
  • WT(x)：最后写x的事务时间戳
  • C(x)：最近写x的事务提交状态

调度规则

操作	条件	处理方式
读操作	TS(T) ≥ WT(x)	允许读，更新RT(x)
	TS(T) < WT(x)	回滚事务
写操作	TS(T) ≥ RT(x)	允许写，更新WT(x)
	TS(T) < RT(x)	回滚事务
	TS(T) < WT(x)且C(x)=true	忽略写（托马斯规则）

优势：无需加锁，避免死锁
代价：可能导致事务回滚重启

---

✅ 基于有效性确认的并发控制

三阶段执行

1. 读阶段：读取数据到局部空间
2. 有效性确认阶段：检查读写集冲突
3. 写阶段：提交修改到数据库

有效性确认规则

1. 对FIN(U) > START(T)的事务U：
   • RS(T) ∩ WS(U) = ∅
2. 对FIN(U) > VAL(T)的事务U：
   • WS(T) ∩ WS(U) = ∅

冲突检测：

• 读集冲突：T读取了U未提交的修改
• 写集冲突：T和U同时修改同一数据

优势：批量检测冲突，减少回滚
局限：需要维护读写集，内存开销大

---

💎 总结回顾

并发控制方法对比

方法	核心机制	优势	局限
封锁法	加锁/解锁	直观易实现	可能死锁
时间戳	时间戳排序	无死锁	回滚开销大
有效性确认	读写集检测	批量处理	内存消耗大

关键要点

flowchart TD
A[并发问题] --> B[事务ACID]
B --> C[调度可串行性]
C --> D[冲突检测]
D --> E[封锁/时间戳/有效性]
E --> F[数据一致性]

DBMS核心技术：
通过并发控制机制保证多用户环境下数据一致性和事务隔离性，是数据库系统核心功能之一。