数据库并发控制

数据库是一个共享资源，可以提供多个用户使用。这些用户程序可以一个一个地串行执行，每个时刻只有一个用户程序运行，执行对数据库的存取，其他用户程序必须等到这个用户程序结束以后方能对数据库存取。但是如果一个用户程序涉及大量数据的输入/输出交换，则数据库系统的大部分时间处于闲置状态。因此，为了充分利用数据库资源，发挥数据库共享资源的特点，应该允许多个用户并行地存取数据库。但这样就会产生多个用户程序并发存取同一数据的情况，若对并发操作不加控制就可能会存取和存储不正确的数据，破坏数据库的一致性，所以数据库管理系统必须提供并发控制机制。并发控制机制的好坏是衡量一个数据库管理系统性能的重要标志之一。

DM用封锁机制来解决并发问题。它可以保证任何时候都可以有多个正在运行的用户程序，但是所有用户程序都在彼此完全隔离的环境中运行。

一、并发控制的预备知识

(一) 并发控制概述

并发控制是以事务（transaction）为单位进行的。

1. 并发控制的单位――事务

事务是数据库的逻辑工作单位，它是用户定义的一组操作序列。一个事务可以是一组SQL 语句、一条SQL语句或整个程序。

事务的开始和结束都可以由用户显示的控制，如果用户没有显式地定义事务，则由数据库系统按缺省规定自动划分事务。

事务应该具有4种属性：原子性、一致性、隔离性和持久性。

（1）原子性

事务的原子性保证事务包含的一组更新操作是原子不可分的，也就是说这些操作是一个整体，对数据库而言全做或者全不做，不能部分的完成。这一性质即使在系统崩溃之后仍能得到保证，在系统崩溃之后将进行数据库恢复，用来恢复和撤销系统崩溃处于活动状态的事务对数据库的影响，从而保证事务的原子性。系统对磁盘上的任何实际数据的修改之前都会将修改操作信息本身的信息记录到磁盘上。当发生崩溃时，系统能根据这些操作记录当时该事

务处于何种状态，以此确定是撤销该事务所做出的所有修改操作，还是将修改的操作重新执行。

（2）一致性

一致性要求事务执行完成后，将数据库从一个一致状态转变到另一个一致状态。它是一种以一致性规则为基础的逻辑属性，例如在转账的操作中，各账户金额必须平衡，这一条规则对于程序员而言是一个强制的规定，由此可见，一致性与原子性是密切相关的。事务的一致性属性要求事务在并发执行的情况下事务的一致性仍然满足。它在逻辑上不是独立的，它由事务的隔离性来表示。

（3）隔离性

隔离性意味着一个事务的执行不能被其他事务干扰。即一个事务内部的操作及使用的数据对并发的其他事务是隔离的，并发执行的各个事务之间不能互相干扰。它要求即使有多个事务并发执行，看上去每个成功事务按串行调度执行一样。这一性质的另一种称法为可串行性，也就是说系统允许的任何交错操作调度等价于一个串行调度。串行调度的意思是每次调度一个事务，在一个事务的所有操作没有结束之前，另外的事务操作不能开始。由于性能原因，我们需要进行交错操作的调度，但我们也希望这些交错操作的调度的效果和某一个串行调度是一致的。DM实现该机制是通过对事务的数据访问对象加适当的锁，从而排斥其他的事务对同一数据库对象的并发操作。

（4）持久性

系统提供的持久性保证要求一旦事务提交，那么对数据库所做的修改将是持久的，无论发生何种机器和系统故障都不应该对其有任何影响。例如，自动柜员机（ATM）在向客户支付一笔钱时，就不用担心丢失客户的取款记录。事务的持久性保证事务对数据库的影响是持久的，即使系统崩溃。正如在讲原子性时所提到的那样，系统通过做记录来提供这一保证。

DM没有提供显式定义事务开始的语句，第一个可执行的SQL语句(除CONNECT语句外)隐含事务的开始，但事务的结束可以由用户显式的控制。在DM中以下几种情况都结束(正常，非正常)某一事务：

（1）当某一连接的属性设置为自动提交，每执行一条语句都会提交；

（2）遇到COMMIT/ROLLBACK语句，便提交/回滚一事务；

（3）当系统的DDL自动提交开关打开时（缺省为打开），遇到DDL语句则自动提交该DDL语句和以前的DML和DDL操作；

（4）事务所在的程序正常结束和用户退出；

（5）系统非正常终止时；

说明：DM在配置文件中提供了DDL语句的自动提交开关DDL_AUTO_COMMIT。当此配置项的值为1（缺省情况）时，所有DDL语句自动提交；当此配置项的值为0时，除CREATEDATABASE、ALTERDATABASE和CREATESCHEMA语句外的所有DDL语句都不自动提交。

DM中的一致性是以事务为基础的。DM通过提交和回滚分别用于将对数据库的修改永久化和废除，但是无论是提交和回滚，DM保证数据库在每个事务开始前、结束后是一致的。为了提高事务管理的灵活性，DM提供了设置保存点（SAVEPOINT）语句和回滚到保存点语句。保存点提供了一种灵活的回滚，事务在执行中可以回滚到某个保存点，在该保存点以前的操作有效，而以后的操作被回滚掉。

DM中的事务同样具有上述4个属性：原子性、一致性、隔离性和持久性。

2. 并发操作与数据的不一致性

如果没有锁定且多个用户同时访问一个数据库，则当他们的事务同时使用相同的数据时可能会发生问题，导致数据库中的数据的不一致性。

一个最常见的并发操作的例子是火车/飞机订票系统中的订票操作。例如，在该系统中的一个活动序列：

①甲售票员读出某航班的机票张数余额A，设A=16；

②乙售票员读出同一航班的机票张数余额A，也是16；

③甲售票员卖出一张机票，修改机票张数余额A=A-1=15,把A写回数据库；

④乙售票员也卖出一张机票，修改机票张数余额A=A-1=15,把A写回数据库。

结果明明卖出两张机票，数据库中机票余额只减少1。

这种情况称为数据库的不一致性。这种不一致性是由甲、乙两个售票员并发操作引起的。在并发操作情况下，对甲、乙两个事务操作序列的调度是随机的。若按上面的调度序列行，甲事务的修改就被丢失。这是由于第4步中乙事务修改A并写回覆盖了甲事务的修改。

并发操作带来的数据库不一致性可以分为四类：丢失或覆盖更新、脏读、不可重复读和幻像读，上例只是并发问题的一种。

（1）丢失或覆盖更新（lost update）

当两个或多个事务选择同一数据，并且基于最初选定的值更新该数据时，会发生丢失更新问题。每个事务都不知道其它事务的存在。最后的更新将重写由其它事务所做的更新，这将导致数据丢失。上面预定飞机票的例子就属于这种并发问题。事务1与事务2先后读入同一数据A=16，事务1执行A-1，并将结果A=15写回，事务2执行A-1，并将结果A=15写回。事务2提交的结果覆盖了事务1对数据库的修改，从而使事务1对数据库的修改丢失了。

（2）脏读

一个事务读取了另一个未提交的并行事务写的数据。当第二个事务选择其它事务正在更新的行时，会发生未确认的相关性问题。第二个事务正在读取的数据还没有确认并且可能由更新此行的事务所更改。换句话说，当事务1修改某一数据，并将其写回磁盘，事务2读取同一数据后，事务1由于某种原因被撤销，这时事务1已修改过的数据恢复原值，事务2读到的数据就与数据库中的数据不一致，是不正确的数据，称为脏读。

例如，在下图中，事务1将C值修改为200，事务2读到C为200，而事务1由于某种原因撤销，其修改作废，C恢复原值100，这时事务2读到的就是不正确的“脏“数据了。