Tietokannan hallinnan samanaikaisuuden hallinta: Lukitus- ja aikaleimapohjaiset protokollat

by: Fiona Brown Fiona Brown
Hours Päivitetty

⚡ Älykäs yhteenveto

Tietokannan hallinnan (DBMS) samanaikaisuuden hallinta hallitsee samanaikaisia ​​tapahtumia, jotta ne toimivat tarkasti rikkomatta tietojen eheyttä. Se estää poikkeavuuksia, kuten päivitysten katoamista ja likaisia ​​lukuja, käyttämällä lukituspohjaisia, kaksivaiheisia, aikaleimapohjaisia ​​ja validointipohjaisia ​​protokollia, jotka takaavat sarjoitettavat tulokset.

  • 👥 Ydintarkoitus: Samanaikaisuuden hallinta sallii useiden tapahtumien koskettaa jaettua dataa samanaikaisesti samalla kunping tietokanta on johdonmukainen.
  • ⚠️ Estetyt poikkeavuudet: Kadonnut päivitys, likainen luku, ei-toistettava luku ja virheellinen yhteenveto ovat neljä ongelmaa, jotka se pysäyttää.
  • 🔒 Lukitusperusteinen: Jaetut ja eksklusiiviset lukot hallitsevat sitä, voivatko muut lukea tai kirjoittaa dataelementtiä.
  • 🔁 Kaksivaiheinen lukitus: Kasvava vaihe hankkii lukkoja ja kutistuva vaihe vapauttaa ne, mikä takaa sarjoitettavuuden.
  • ⏱️ Aikaleimaan perustuva: Vanhemmilla tapahtumilla on etusija, ja ristiriitaiset toiminnot järjestetään järjestelmän aikaleiman mukaan.
  • ✅ Validointiin perustuva: Optimistinen ohjaus toimii paikallisissa kopioissa ja validoi vain ennen kirjoitusvaihetta.
  • 🎯 Tavoite: Maksimaalinen samanaikaisuus minimaalisella lisäkululla, sietää sijainti- ja tietoliikennekatkoksia.
Lue lisää

Lukitus- ja aikaleima-ajoittajat tietokannan hallinnan järjestelmässä

Mikä on Concurrency Control?

Samanaikaisuuden valvonta Tietokannan hallintajärjestelmässä se on menetelmä samanaikaisten toimintojen hallitsemiseksi ilman ristiriitoja. Se varmistaa, että tietokannan tapahtumat suoritetaan samanaikaisesti ja tarkasti oikeiden tulosten tuottamiseksi rikkomatta kyseisen tietokannan tietojen eheyttä.

Samanaikainen käyttö on melko helppoa, jos kaikki käyttäjät vain lukevat dataa, koska he eivät voi häiritä toisiaan. Käytännössä missä tahansa tietokannassa on kuitenkin sekä READ- että WRITE-operaatioita, joten samanaikaisuudesta tulee haaste.

Tietokannan hallintajärjestelmien (DBMS) samanaikaisuuden hallintaa käytetään tällaisten ristiriitojen ratkaisemiseen, joita esiintyy enimmäkseen usean käyttäjän järjestelmässä. Samanaikaisuuden hallinta on siksi yksi tärkeimmistä tekijöistä tietokannan moitteettoman toiminnan kannalta, kun kaksi tai useampi tapahtuma suoritetaan samanaikaisesti ja vaatii pääsyn samaan dataan. Se toimii käsi kädessä transaktioiden hallinta, joka määrittelee työyksiköt, jotka samanaikaisuuden hallinnan on lomitettava turvallisesti.

Mahdollisia samanaikaisuuden ongelmia

Tässä on joitakin ongelmia, joita todennäköisesti kohtaat ilman asianmukaista tietokannan hallinnan samanaikaisuuden hallintaa:

  • Kadonneet päivitykset tapahtuu, kun useat tapahtumat valitsevat saman rivin ja päivittävät sen valitun arvon perusteella.
  • Sitoutumaton riippuvuus (likainen luku) tapahtuu, kun toinen tapahtuma valitsee rivin, jota on päivittänyt toinen, vielä vahvistamaton tapahtuma.
  • Ei-toistettavissa oleva luku tapahtuu, kun toinen tapahtuma käyttää samaa riviä useita kertoja ja lukee joka kerta eri tietoja.
  • Virheellinen yhteenveto tapahtuu, kun yksi tapahtuma tekee yhteenvedon toistuvien tietokohteiden kaikkien esiintymien arvosta, kun taas toinen tapahtuma päivittää muutamia näistä esiintymistä. Tuloksena oleva yhteenveto ei heijasta oikeaa tulosta.

Miksi käyttää samanaikaisuusmenetelmää?

Syitä samanaikaisuuden hallintamenetelmän käyttöön tietokannan hallinnan järjestelmässä:

  • Soveltaa eristämistä keskinäisen poissulkemisen avulla ristiriitaisten tapahtumien välillä.
  • Luku- ja kirjoitus- sekä kirjoitus-ristiriitaongelmien ratkaiseminen.
  • Tietokannan yhtenäisyyden säilyttämiseksi valvotaan jatkuvasti suoritusrajoituksia.
  • Samanaikaisten tapahtumien välisen vuorovaikutuksen hallitsemiseksi käytetään samanaikaisuuden hallintajärjestelmiä.
  • Auttaa varmistamaan sarjoitettavuus.

esimerkki

Oletetaan, että kaksi ihmistä menee samaan aikaan elektronisille kioskeille ostamaan elokuvalippuja samaan elokuvaan ja samaan näytösaikaan.

Elokuvateatterissa on kuitenkin jäljellä vain yksi paikka kyseiseen esitykseen. Ilman samanaikaisuuden hallintaa on mahdollista, että molemmat katsojat ostavat lipun. Samanaikaisuuden hallinta ei salli tätä. Molemmat katsojat voivat edelleen käyttää elokuvakatsomotietokannan tietoja, mutta samanaikaisuuden hallinta tarjoaa lipun vain sille ostajalle, joka suorittaa maksuprosessin ensimmäisenä.

Samanaikaisuuden ohjausprotokollat

Eri samanaikaisuuden hallintaprotokollat ​​tarjoavat erilaisia ​​kompromisseja sallitun samanaikaisuuden määrän ja aiheuttamansa lisäkustannusten välillä. Tietokannan hallintajärjestelmien tärkeimmät samanaikaisuuden hallintatekniikat ovat:

  • Lukituspohjaiset protokollat
  • Kaksivaiheinen lukitusprotokolla
  • Aikaleimapohjaiset protokollat
  • Validointiin perustuvat protokollat

Kutakin tarkastellaan vuorollaan alla alkaen yleisimmin käytetyistä, lukkoon perustuvista protokollista.

AIHEESEEN LIITTYVÄT ARTIKKELIT

Lukituspohjaiset protokollat

Lukituspohjaiset protokollat Tietokannan hallintajärjestelmissä (DBMS) on mekanismi, jossa tapahtuma ei voi lukea tai kirjoittaa tietoalkiota ennen kuin se on saanut asianmukaisen lukituksen. Lukituspohjaiset protokollat ​​auttavat poistamaan samanaikaisuusongelman lukitsemalla tai eristämällä tietyn tietoalkion yhteen tapahtumaan.

Lukko on dataelementtiin liittyvä datamuuttuja, joka ilmaisee, mitä toimintoja sille voidaan suorittaa. Lukot auttavat synkronoimaan pääsyn tietokannan elementteihin samanaikaisten tapahtumien avulla. Kaikki lukituspyynnöt tehdään samanaikaisuuden hallinnan hallintaan, ja tapahtumat jatkuvat vasta, kun lukituspyyntö on myönnetty.

Binäärilukot: Tietoalkion binäärilukko voi olla joko lukitussa tai lukitsemattomassa tilassa.

Jaettu/yksinoikeudella: Tämä lukitusmekanismi erottelee lukot niiden käytön perusteella. Jos lukko hankitaan kirjoitustoiminnon suorittamiseksi, sitä kutsutaan eksklusiiviseksi lukoksi.

1. Jaettu lukko (S): Jaettua lukkoa kutsutaan myös vain luku -lukoksi. Jaetussa lukossa tietoja voidaan jakaa tapahtumien välillä, koska kenelläkään niistä ei ole oikeutta päivittää niitä. Esimerkiksi jos kaksi tapahtumaa lukee henkilön tilin saldoa, tietokanta antaa heidän lukea asettamalla jaetun lukituksen. Jos toinen tapahtuma haluaa päivittää saldoa, jaettu lukitus estää sen, kunnes lukeminen on valmis.

2. Ainutlaatuinen lukko (X): Yksinoikeudella lukituksen avulla tietoalkiota voidaan sekä lukea että kirjoittaa. Se on eksklusiivinen, eikä sitä voida pitää samanaikaisesti samassa tietoalkiossa. X-lukkoa pyydetään lock-x-käskyllä. Esimerkiksi kun tapahtuman on päivitettävä tilin saldoa, se sallitaan asettamalla X-lukko; toinen tapahtuma, joka haluaa lukea tai kirjoittaa, estetään tällöin.

3. Yksinkertainen lukitusprotokolla: Tämä mahdollistaa tapahtumien lukituksen saamisen jokaiselle objektille ennen toiminnon aloittamista. Tapahtumat voivat avata dataelementin lukituksen kirjoitustoiminnon päätyttyä.

4. Lukituksen ennakkovaatimus: Tämä protokolla arvioi operaatioita ja luo luettelon suorituksen aloittamiseen tarvittavista tiedoista. Kun kaikki lukot on myönnetty, tapahtuma suoritetaan ja kaikki lukot vapautetaan, kun operaatiot ovat päättyneet.

Nälkä: Nälkä eli nälänhätä tarkoittaa tilannetta, jossa tapahtuma odottaa lukon saamista määräämättömän ajan. Syitä voivat olla huonosti hallittu odotusjärjestelmä lukituille kohteille, resurssivuoto tai saman tapahtuman toistuva valinta uhriksi.

Umpikuja: Lukkiutumistila tarkoittaa tilannetta, jossa kaksi tai useampi prosessi odottaa toisiaan vapauttamaan resurssin muodostaen ympyränmuotoisen ketjun.

Kaksivaiheinen lukitusprotokolla (2PL)

Kaksivaiheinen lukitusprotokolla, joka tunnetaan myös nimellä 2PL, on samanaikaisuuden hallintamenetelmä, joka varmistaa sarjoitettavuuden lukitsemalla tapahtumatiedot. Tämä estää muita tapahtumia käyttämästä samoja tietoja samanaikaisesti.

Kaksivaiheinen lukitusprotokolla mahdollistaa jokaisen tapahtuman tehdä lukitus- tai lukituksen avauspyynnön kahdessa vaiheessa:

  • Kasvuvaihe: Tässä vaiheessa tapahtuma voi saada lukituksia, mutta ei välttämättä vapauta lukkoja.
  • Kutistumisvaihe: Tässä vaiheessa tapahtuma voi vapauttaa lukkoja, mutta ei välttämättä saada uusia lukkoja.

Kaksivaiheinen lukitus, kasvava ja kutistuva vaihe

On totta, että 2PL tarjoaa sarjoitettavuuden. Se ei kuitenkaan takaa, ettei lukkiutumisia tapahdu. Yllä olevassa kaaviossa paikalliset ja globaalit lukkiutumisten ilmaisimet etsivät lukkiutumisia ja ratkaisevat ne palauttamalla tapahtumat alkuperäiseen tilaansa.

Tiukka kaksivaiheinen lukitusmenetelmä

Strict 2PL on lähes sama asia kuin 2PL. Ainoa ero on, että Strict-2PL ei koskaan vapauta lukkoa käytön jälkeen. Se pitää kaikki lukot voimassa commit-pisteeseen asti ja vapauttaa ne kaikki kerralla prosessin päätyttyä.

Keskitetty 2PL

Keskitetyssä 2PL-järjestelmässä yksi toimipaikka vastaa lukkojen hallintaprosessista. Sillä on vain yksi lukkojen hallintaohjelma koko tietokannan hallintajärjestelmälle.

Ensisijainen kopio 2PL

Primary Copy 2PL -mekanismissa useita lukkohallintaohjelmia on jaettu eri toimipisteisiin, ja tietty lukkohallintaohjelma vastaa tietyn tietojoukon lukon hallinnasta. Kun ensisijainen kopio päivitetään, muutos välitetään orjille.

Jaettu 2PL

Tässä mekanismissa lukkojen hallintaohjelmat on jaettu kaikkiin toimipisteisiin ja ne vastaavat kyseisen toimipisteen datalukkojen hallinnasta. Jos dataa ei replikoida, se vastaa ensisijaista kopiota 2PL. Hajautetun kopiota 2PL:n viestintäkustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin ensisijaisen kopiota 2PL:n.

Aikaleimapohjaiset protokollat

Aikaleimapohjainen protokolla DBMS:ssä on algoritmi, joka käyttää järjestelmän aikaa tai loogista laskuria aikaleimana samanaikaisten tapahtumien suorittamisen sarjoittamiseen. Se varmistaa, että jokainen ristiriitainen luku- ja kirjoitusoperaatio suoritetaan aikaleimajärjestyksessä.

Tässä menetelmässä vanhemmalle tapahtumalle annetaan aina etusija. Se käyttää järjestelmän aikaa tapahtuman aikaleiman määrittämiseen, ja se on yleisimmin käytetty samanaikaisuusprotokolla. Lukituspohjaiset protokollat ​​hallitsevat ristiriitaisten tapahtumien välistä järjestystä niiden suorituksen yhteydessä; aikaleimapohjaiset protokollat ​​hallitsevat ristiriitoja heti operaation luomisen jälkeen.

Esimerkiksi:

Suppose there are three transactions T1, T2, and T3.
T1 has entered the system at time 0010
T2 has entered the system at 0020
T3 has entered the system at 0030
Priority will be given to transaction T1, then T2 and lastly T3.

edut:

  • Aikataulut ovat sarjoitettavissa, aivan kuten 2PL-protokollat.
  • Ei odottelua tapahtuman edessä, mikä poistaa umpikujien mahdollisuuden.

Haitat: Nälkäkuolema on mahdollinen, jos sama tapahtuma käynnistetään uudelleen ja keskeytetään jatkuvasti.

Validointiin perustuva protokolla

Validointiin perustuva protokolla Tietokannan hallinnan tekniikkana tunnettu optimistinen samanaikaisuuden hallintatekniikka on menetelmä tapahtumien samanaikaisuusristiriitojen välttämiseksi. Tässä protokollassa tapahtumadatan paikalliset kopiot päivitetään itse datan sijaan, mikä vähentää häiriöitä suorituksen aikana.

Validointiin perustuva protokolla suoritetaan kolmessa vaiheessa:

  1. Lue vaihe
  2. Validointivaihe
  3. Kirjoita vaihe

Lue vaihe

Lukuvaiheessa tapahtuma voi lukea data-arvoja, mutta kirjoitusoperaatiot tai päivitykset koskevat vain paikallisia datakopioita, eivät varsinaista tietokantaa.

Validointivaihe

Validointivaiheessa tiedot tarkistetaan sen varmistamiseksi, että päivitysten käyttöönotto ei riko sarjoitettavuutta.

Kirjoita vaihe

Kirjoitusvaiheessa päivitykset otetaan käyttöön tietokannassa, jos validointi onnistuu; muuten päivitykset hylätään ja tapahtuma peruutetaan.

Samanaikaisuuden hallintaprotokollien vertailu

Neljä protokollaperhettä tekevät erilaisia ​​veikkauksia siitä, kuinka usein tapahtumat todellisuudessa ovat ristiriidassa. Alla oleva taulukko yhteenvetää, mihin kukin sopii.

Protokolla Lähestymistapa umpikuja Parhaimmillaan
Lukituspohjainen Pessimistinen, lukot ennen pääsyä mahdollinen Konfliktit ovat usein
Kaksivaiheinen lukitus Pessimistiset, kasvu- ja kutistumisvaiheet mahdollinen Sarjoitettavuus vaaditaan
Aikaleimapohjainen Tilaukset aikaleiman mukaan Lukkiutumaton Tilaaminen on tärkeää, odottaminen on kallista
Validointiin perustuva Optimistinen, validoi ennen kirjoittamista Lukkiutumaton Konfliktit ovat harvinaisia

Lyhyesti sanottuna lukituspohjaiset ja 2PL-protokollat ​​olettavat konfliktien olevan yleisiä ja estävät ne etukäteen, kun taas aikaleima- ja validointiprotokollat ​​olettavat konfliktien olevan harvinaisia ​​ja ratkaisevat ne vasta, kun niitä ilmenee.

Hyvän samanaikaisuusprotokollan ominaisuudet

Ihanteellisella samanaikaisuuden hallintamekanismilla on seuraavat tavoitteet:

  • Sen on oltava joustava sivuston ja tietoliikenteen häiriöiden varalta.
  • Se mahdollistaa tapahtumien rinnakkaisen suorittamisen maksimaalisen samanaikaisuuden saavuttamiseksi.
  • Sen tallennusmekanismien ja laskentamenetelmien tulee olla vaatimattomia yleiskustannusten minimoimiseksi.
  • Sen on asetettava joitakin rajoituksia transaktioiden atomitason toimintojen rakenteelle.

UKK

Jaettu lukko sallii samanaikaiset lukemiset, mutta ei kirjoituksia, joten useat tapahtumat voivat säilyttää sitä. Yksinoikeudella toimiva lukko sallii lukemisen ja kirjoittamisen, eikä sitä voida jakaa, joten sitä säilyttää vain yksi tapahtuma.

Ei. 2PL takaa sarjoitettavuuden, mutta ei lukkiutumisvaaraa. Kaksi tapahtumaa voi silti odottaa toistensa lukkoja, joten erillinen tunnistus- tai aikakatkaisumekanismi tarvitaan edelleen.

Kun konfliktit ovat harvinaisia. Validointiin perustuva ohjaus välttää lukituskuormituksen ja antaa tapahtumien toimia vapaasti, tarkistuksilla vain commit-hetkellä. Raskaan kilpailun aikana se tuhlaa työtä toistuvien peruutusten vuoksi.

Tekoäly tutkii aiempia työkuormia ennustaakseen, mitkä tapahtumat aiheuttavat ristiriitoja, ja suosittelee sitten eristystasoa tai lukitustarkkuutta, joka lisää läpimenoaikaa samalla kunping tulokset sarjoitettavissa.

Se ei koskaan pakota tapahtumaa odottamaan. Ristiriitainen operaatio joko sallitaan aikaleimamääräyksen perusteella tai tapahtuma keskeytetään ja käynnistetään uudelleen, joten kehämäistä odotusta ei voi muodostua eikä lukkiutumista voi tapahtua.

Tiivistä tämä viesti seuraavasti: