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  • CMU Database Systems

    并发控制是数据库理论里面最难的课题之一

    并发控制首先了解一下事务,transaction

    定义如下,

    其实transaction关键是,要满足ACID属性,

    左边的正式的定义,由于的intuitive的理解
    其中可能Consistency比较难理解一下,其他都比较直观,对于单机数据库而言consistency其实不是个显著的问题,但对于分布式数据库这就是个主要问题

    那么问题就是如何设计让Transaction满足ACID?

    一种简单的方法就是,Strawman System

    串行执行保障consistency和isolate,整个库的copy保障atomicity,这个方法早期用在SQLlite中,它主要是用在嵌入式场景,访问量和数据量都很小

    但这个方法的性能太低

    下面就看看对ACID的各个属性,一般是如何设计来满足的

    Atomicity

    原子性问题,

    最常用的方法是Log,Undo&Redo,这样如果事务abort,可以根据undo日志来回滚,达到原子性保证

    还有种方法是Shadow Paging,也是MVCC,我修改的时候,把要修改的page复制一份去改,典型的使用是CouchDB

    Consistency

    首先Consistency是逻辑的,什么意思?
    就是和实现无关,做一笔转账,两边的数据在逻辑上应该是对的,无论你底层是如何实现的,用何种数据结构

    所以database consistency是指,做过的更新,在更新后,无论从什么地方角度去看,他都应该是一样的,比如在不同的transaction中,不同的client,不同的。。。
    对于单机数据库,这其实是比较容易达成的

    transaction consistency,是指应用层面的,外部的一致性,不光是数据库内部的,这种一致性需要应用自己去保障

    Isolation

    隔离性,每个transaction执行的时候,不会受到其他的transaction的干扰

    因为我们要提高数据库的性能,所以不可能让transaction串行执行,所以transaction一定是并发执行的,这样一定会存在interleave的问题

    因为把transaction在物理上去做隔离一定是比较低效的,所以实际的做法都是让各个transaction interleave的执行,但其中要注意避免冲突,conflict

    避免冲突一般都是要加锁,所以自然会有悲观和乐观锁的分别 

    这里先不谈怎么避免冲突

    我们先看下interleave执行会带来哪些问题?

    对于这个例子,两个transaction,一个是转账,一个是加利息

    T1,T2,如果顺序执行的结果是一样的

    这里注意,T1,T2本身谁先执行,这个是要应用控制的,对于数据库而言,无论谁先执行都是对的

    那么可以看到interleave执行的结果可能是good,也可能是bad

    如果判断是好是坏?这个很直觉,和串行执行结果一样就是好的,否则就是坏的

    所以这里给出一堆概念,只是就是想说明,你interleave执行的结果一定要和串行执行一样

    这样给transaction调度带来很大的flexible,因为只要满足serializable schedule,就可以任意的并发调度

    Serializable Schedule的定义,一个Schedule和任意一个Serial ScheduleEquivalent的,即执行结果相同

    那么我们怎么判断一个sechdule是否是serializable?

    我们先看看,如果不满足serializable schedule,会发生什么?Conflict

    冲突的双方一定是在不同的transaction中,并且其中至少有一个是write操作

    所以Conflict分为3种,read-read是不会冲突的

    那么现在的思路,我们只要去看看sechdule中是否存在这些conflict,如果不存在,我们就可以认为这个sechdule是serializable

    形式化的表达就是,如果S是和任意一个serial schedule冲突等价的,那么S就是conflict serializable;因为如果存在上面的冲突就不可能和serial schedule冲突等价

    这里需要注意,我们判断冲突的时候,一般只会看是否同时对一个object有读写,比如对于Unrepeatable Read,我们不会看后面还是不是有那个read,或者对于dirty reads,如果后面没有abort,也不会有问题;
    所以这里是充分但不必要条件,不满足conflict serializable,也不一定就得到错误的结果,但是满足,得到的结果一定是正确的

    下面就要找一种方法,可以判断S是否是conflict serializable

    我们可以把任意不冲突的operation进行swap,看看最终能不能变成一个serial schedule

    例子,

    这个方法看着比较简单,但如果transaction比较多的话,会很难操作

    所以需要一个更形式化的方法,称为依赖图

    其实就是把冲突的依赖用线连起来,如果有环,说明是无法conflict serializable的

    比如,你看右边的例子,是无法conflict serializable的

    而example2,是可以conflict serializable,因为依赖图里面没有环

     

    前面讲的都是Conflict Serialization

    还有一种更为宽泛的叫做,View Serialization

    定义很难理解,从例子上看,就是有些不符合conflict serialization的case,算出来结果也是对的,比如例子里面,因为是blind write,所以A的结果只会有最后一个write决定,所以这个schedule还是可以强行等价于一个serial schedule的

     

     View Serialization可以比Conflict Serialization有更多,更灵活的schedule,但是这个难于判断,很难实现

    所以总体来说,关系是这样的,越大调度越灵活,但是机制和判断越复杂

    Durability

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