2008 г.

Базы данных. Вводный курс

Сергей Кузнецов

13.3.1. Синхронизационные блокировки

Наиболее распространенным в централизованных СУБД (включающих системы, основанные на архитектуре «клиент-сервер») является подход, основанный на соблюдении двухфазного протокола синхронизационных захватов объектов баз данных (Two-Phase Locking Protocol, 2PL). В общих чертах подход состоит в том, что перед выполнением любой операции в транзакции T над объектом базы данных o от имени транзакции T запрашивается синхронизационная блокировка объекта o в соответствующем режиме (в зависимости от вида операции).

Основными режимами синхронизационных блокировок являются следующие:

совместный режим – S (Shared), означающий совместную (по чтению) блокировку объекта и требуемый для выполнения операции чтения объекта;
монопольный режим – X (eXclusive), означающий монопольную (по записи) блокировку объекта и требуемый для выполнения операций вставки, удаления и модификации объекта.

Блокировки одних и тех же объектов по чтению несколькими транзакциями совместимы, т.е. нескольким транзакциям допускается одновременно читать один и тот же объект. Блокировка объекта одной транзакцией по чтению не совместима с блокировкой другой транзакцией того же объекта по записи, т.е. никакой транзакции нельзя изменять объект, читаемый некоторой транзакцией (кроме самой этой транзакции), и никакой транзакции нельзя читать объект, изменяемый некоторой транзакцией (кроме самой этой транзакции). Блокировки одного и того же объекта по записи разными транзакциями не совместимы, т.е. никакой транзакции нельзя изменять объект, изменяемый некоторой транзакцией (кроме самой этой транзакции). Правила совместимости захватов одного объекта разными транзакциями приведены в таблице 10.1.

В первом столбце приведены возможные состояния объекта с точки зрения синхронизационных захватов. При этом "-" соответствует состоянию объекта, для которого не установлен никакой захват. Транзакция, запросившая синхронизационный захват объекта БД, уже захваченный другой транзакцией в несовместимом режиме, блокируется до тех пор, пока захват с этого объекта не будет снят.

Таблица 9.1. Совместимость блокировок S и X

X S

- да да

X нет нет

S нет да

Заметим, что слово «нет» (отсутствие совместимости блокировок) в этой таблице соответствует описанным ранее возможным случаям конфликтов транзакций по доступу к объектам базы данных (W/W, R/W, W/R). Совместимость S-блокировок соответствует тому, что конфликт R/R не существует.

Для обеспечения сериализации транзакций (третьего уровня изолированности) синхронизационные блокировки объектов, произведенные по инициативе транзакции, можно снимать только при ее завершении (см. примеры сценариев, обсуждавшихся в разделе 13.2 Общее понятие транзакции и основные характеристики транзакций). Это требование порождает двухфазный протокол синхронизационных захватов – 2PL. В соответствии с этим протоколом выполнение транзакции разбивается на две фазы:

первая фаза транзакции (выполнение операций над базой данных) – накопление блокировок;
вторая фаза (фиксация или откат) – снятие блокировок.

Достаточно легко убедиться, что при соблюдении двухфазного протокола синхронизационных блокировок действительно обеспечивается сериализация транзакций на третьем уровне изолированности. Также легко видеть, что для обеспечения отсутствия потерянных данных достаточно блокировать в режиме X изменяемые объекты базы данных и удерживать эти блокировки до конца транзакции, а для обеспечения отсутствия чтения «грязных» данных достаточно блокировать в режиме X изменяемые объекты до конца транзакции и блокировать в режиме S читаемые объекты на время выполнения операции чтения.

Основная проблема состоит в том, что следует считать объектом для синхронизационного захвата? В контексте реляционных баз данных возможны следующие альтернативы:

файл (сегмент в терминах System R) – физический (с точки зрения базы данных) объект, область хранения нескольких таблиц и, возможно, индексов;
таблица – логический объект, соответствующий множеству кортежей данной таблицы;
страница данных – физический объект, хранящий кортежи одной или нескольких таблиц, индексную или служебную информацию;
кортеж – элементарный физический объект базы данных.

На самом деле, любая операция над объектом базы данных фактически воздействует и на объемлющие его объекты. Например, операция над кортежем является и операцией над страницей, в которой этот кортеж хранится, и над соответствующей таблицей, и над файлом, содержащим таблицу. Поэтому действительно имеется выбор уровня объекта блокировки.

Понятно, что для поддержки блокировок требуются системные ресурсы, и что чем крупнее объект синхронизационного захвата (неважно, какой природы этот объект – логический или физический), тем меньше синхронизационных блокировок будет поддерживаться в системе, и на это, соответственно, будут тратиться меньшие накладные расходы. Более того, если устанавливать блокировки на уровне файлов или таблиц, то будет решена даже проблема фантомов (если это не ясно сразу, посмотрите еще раз описание проблемы фантомов и определение двухфазного протокола захватов).

Но вся беда в том, что при использовании для блокировок крупных объектов возрастает вероятность конфликтов транзакций и, тем самым, уменьшается допускаемая степень чередования их операций или реального параллельного выполнения. Фактически, при укрупнении объекта синхронизационной блокировки мы умышленно огрубляем ситуацию и видим конфликты в тех ситуациях, в которых на самом деле конфликтов нет.

Разработчики многих систем начинали с использования страничных блокировок, полагая это некоторым компромиссом между стремлениями сократить накладные расходы и сохранить достаточно высокий уровень параллельности транзакций. Но это не очень хороший выбор. Не будем останавливаться на деталях, но заметим, что использование страничных блокировок в двухфазном протоколе иногда вызывает очень неприятные синхронизационные проблемы, усложняющие организацию СУБД (коротко говоря, эти проблемы связаны с тем, что страницы приходится блокировать на двух разных уровнях – уровне управления буферами страниц в основной памяти и уровне выполнения логических операций). В большинстве современных систем используются покортежные синхронизационные блокировки.

Но при этом возникает очередной вопрос. Если единицей блокировки является кортеж, то какие синхронизационные блокировки потребуются при выполнении таких операций как уничтожение заполненной таблицы? Было бы довольно нелепо перед выполнением такой операции потребовать блокировки всех существующих кортежей таблицы. Кроме того, это не предотвратило бы возможности параллельной вставки нового кортежа в уничтожаемое отношение в некоторой другой транзакции.

Гранулированные синхронизационные блокировки

Подобные рассуждения привели к разработке механизма гранулированных синхронизационных блокировок. При применении этого подхода синхронизационные блокировки могут запрашиваться по отношению к объектам разного уровня: файлам, таблицам и кортежам. Требуемый уровень объекта определяется тем, какая операция выполняется (например, для выполнения операции уничтожения таблицы объектом синхронизационной блокировки должна быть вся таблица, а для выполнения операции удаления кортежа – этот кортеж). Объект любого уровня может быть заблокирован в режиме S или X.

Для согласования блокировок разного уровня вводятся специальный протокол гранулированных блокировок и новые типы блокировок. Коротко говоря, перед установкой блокировки на некоторый объект базы данных в режиме S или X соответствующий объект верхнего уровня должен быть заблокирован в режиме IS, IX или SIX. Что же собой представляют эти режимы блокировок?

Блокировка в режиме IS (Intented for Shared lock) некоторого составного объекта o базы данных означает намерение заблокировать некоторый объект o', входящий в o, в совместном режиме (режиме S). Например, при намерении читать кортежи из таблицы Tab эта таблица должна быть заблокирована в режиме IS (а до этого в таком же режиме должен быть заблокирован файл, в котором располагается таблица Tab).

Блокировка в режиме IX (Intented for eXclusive lock) некоторого составного объекта o базы данных означает намерение заблокировать некоторый объект o', входящий в o, в монопольном режиме (режиме X). Например, для удаления кортежей из таблицы Tab эта таблица должна быть заблокирована в режиме IX (а до этого в таком же режиме должен быть заблокирован файл, в котором располагается таблица Tab).

Блокировка в режиме SIX (Shared, Intented for eXclusive lock) некоторого составного объекта o базы данных означает совместную блокировку всего этого объекта с намерением впоследствии блокировать какие-либо входящие в него объекты в монопольном режиме (режиме X). Например, если выполняется длинная операция просмотра таблицы Tab с возможностью удаления некоторых просматриваемых кортежей, то экономичнее всего заблокировать таблицу Tab в режиме SIX (а до этого заблокировать в режиме IS файл, в котором располагается таблица Tab).

Таблица 9.2. Совместимость блокировок S, X, IS, IX и SIX

X S IX IS SIX

- да да да да да

X нет нет нет нет нет

S нет да нет да нет

IX нет нет да да нет

IS нет да да да да

SIX нет нет нет да нет

В таб. 9.2 приведена таблица совместимости блокировок S, X, IS, IX и SIX. Немного поясним правила совместимости. Должно быть понятно, что для атомарных объектов разумны только блокировки в режимах S и X, для которых правила совместимости остаются такими же, как были показаны в таб. 9.1. Пусть теперь o – это некоторый составной объект.

Тогда блокировка объекта o в режиме X в транзакции T₁ не совместима с блокировкой этого объекта в режимах X, S, IX, IS или SIX в транзакции T₂. Действительно, блокировка объекта o в режиме X в транзакции T₁ направлена на то, чтобы изменять объект o целиком. Несовместимость блокировки объекта o в режиме X в транзакции T₁ с его блокировкой в режиме X или IX в транзакции T₂ устраняет конфликты транзакций T₁ и T₂ вида W/W. Несовместимость блокировки объекта o в режиме X в транзакции T₁ с его блокировкой в режиме S или IS в транзакции T₂ устраняет конфликты транзакций T₁ и T₂ вида W/R. Наконец, несовместимость блокировки объекта o в режиме X в транзакции T₁ с его блокировкой в режиме SIX в транзакции T₂ устраняет конфликты транзакций T₁ и T₂ вида W/R и W/W.

Блокировка объекта o в режиме S в транзакции T₁ совместима с блокировкой этого объекта в режимах S или IS в транзакции T₂, поскольку эти блокировки в транзакциях T₁ и T₂ направлены только на то, чтобы только читать некоторые объекты o', входящие в o. Блокировка объекта o в режиме S в транзакции T₁ не совместима с блокировкой этого объекта в режимах X, IX или SIX в транзакции T₂, поскольку любая из этих блокировок направлена на то, чтобы изменять в транзакции T₂ объект o целиком или какой-либо объект o', входящий в o. Несовместимость блокировки объекта o в режиме S в транзакции T₁ с блокировкой этого объекта в режимах X, IX или SIX в транзакции T₂, тем самым, устраняет конфликты транзакций T₁ и T₂ вида R/W.

Блокировка объекта o в режиме IХ в транзакции T₁ совместима с блокировкой этого же объекта в режимах IS или IX в транзакции T₂. Действительно, блокировка объекта o в режиме IX в транзакции T₁ направлена на то, чтобы в этой транзакции изменять какой-либо объект o', входящий в o, а блокировка этого же объекта в режиме IS в транзакции T₂ – на то, чтобы читать в транзакции T₂ какой-либо объект o'', входящий в o. Если объекты o' и o'' – разные, то конфликт транзакций T₁ и T₂ не возникнет. Если o' = o'', то перед изменением этот объект будет заблокирован в транзакции T₁ в режиме X, а перед чтением – в транзакции T₂ в режиме S. Несовместимость этих блокировок позволит избежать конфликта транзакций T₁ и T₂ вида W/R, и для этого не требуется несовместимость блокировок IX и IS объекта o. Аналогично обосновывается совместимость блокировок IX и IX. Блокировка IХ не совместима с блокировкой S, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида W/R. Блокировка IХ не совместима с блокировкой X, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида W/W. Наконец, блокировка IХ не совместима с блокировкой SIX, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида W/R или W/W.

Блокировка объекта o в режиме IS в транзакции T₁ совместима с блокировкой этого же объекта в режимах S, IS, IX или SIX в транзакции T₂. Совместимость с блокировкой в режиме S или IS уже обосновывалась. Покажем, что блокировка объекта o в режиме IS в транзакции T₁ совместима с блокировкой того же объекта в режиме IX в транзакции T₂. Действительно, блокировка объекта o в режиме IS в транзакции T₁ направлена на то, чтобы в этой транзакции читать какой-либо объект o', входящий в o, а блокировка этого же объекта в режиме IX в транзакции T₂ – на то, чтобы в транзакции T₂ изменять какой-либо объект o'', входящий в o. Если объекты o' и o'' – разные, то конфликт транзакций не возникнет. Если o' = o'', то перед чтением этот объект будет заблокирован в транзакции T₁ в режиме S, а перед изменением – в транзакции T₂ в режиме X. Несовместимость этих блокировок позволит избежать конфликта транзакций T₁ и T₂ вида R/W, и для этого не требуется несовместимость блокировок IS и IX объекта o. Аналогично можно показать совместимость блокировок IS и SIX. Несовместимость блокировок IS и X очевидна, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида R/W.

Блокировка объекта o в режиме SIX в транзакции T₁ позволяет этой транзакции читать любой объект o', входящий в o, без его дополнительной блокировки и изменять любой объект o', входящий в o, с его предварительной блокировкой в режиме X. Эта блокировка совместима с блокировкой объекта o в режиме IS в транзакции T₂. Действительно, блокировка объекта o в режиме IS в транзакции T₂ направлена на то, чтобы в транзакции T₂ читать какой-либо объект o', входящий в o. Перед этим в транзакции T₂ должна быть установлена блокировка объекта o' в режиме S. К этому моменту у объекта o' может отсутствовать явная блокировка, установленная в транзакции T₁, что, в соответствии с семантикой блокировки SIX, означает наличие неявной блокировки o' по чтению. Очевидно, что в этом случае конфликт транзакций T₁ и T₂ не возникает. К этому же моменту у объекта o' может иметься блокировка в режиме X, установленная в транзакции T₁. В этом случае запрос блокировки объекта o' в режиме S удовлетворен не будет, и конфликт транзакций T₁ и T₂ вида W/R будет предотвращен без потребности в несовместимости блокировок SIX и IS. Блокировка объекта o в режиме SIX в транзакции T₁ не совместима с блокировкой объекта o в режиме X в транзакции T₂, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида R/W. Блокировка объекта o в режиме SIX в транзакции T₁ не совместима с блокировкой объекта o в режиме S или IS в транзакции T₂, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида W/R при доступе к некоторым объектам o', входящим в o. Наконец, блокировка объекта o в режиме SIX в транзакции T₁ не совместима с блокировкой объекта o в режиме IX или SIX в транзакции T₂, поскольку иначе мог бы проявиться конфликт транзакций T₁ и T₂ вида R/W при доступе к некоторым объектам o', входящим в o.

Назад Содержание Вперёд