[摘要] 數(shù)據(jù)庫可以提供給多個用戶共享數(shù)據(jù)信息資源，所以就必須對并發(fā)的事務(wù)進(jìn)行控制，這種并發(fā)控制必須引入一些封鎖協(xié)議以保證數(shù)據(jù)的完整性。本文針對數(shù)據(jù)庫并發(fā)操作中可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不一致性問題進(jìn)行分析，并給出解決的方法。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)據(jù)庫 并發(fā)控制 一致性 封鎖 封鎖協(xié)議

一、引言

目前主流的關(guān)系數(shù)據(jù)庫通常都允許多個用戶同時使用和共享，所以也都具有并發(fā)控制的機(jī)制，也就是控制數(shù)據(jù)庫，防止多用戶并發(fā)使用數(shù)據(jù)庫時造成數(shù)據(jù)錯誤和程序運(yùn)行錯誤，以保證數(shù)據(jù)的完整性。

二、事務(wù)與并發(fā)控制的概念

當(dāng)多用戶并發(fā)存取數(shù)據(jù)時，就會產(chǎn)生多個事務(wù)同時存取同一數(shù)據(jù)的情況，從而引起嚴(yán)重的數(shù)據(jù)錯誤和程序運(yùn)行錯誤。

那么我們來看，什么是事務(wù)及并發(fā)控制呢？

事務(wù)就是用戶定義的一個數(shù)據(jù)庫操作序列，這些操作要么全做要么全不做，是一個不可分割的很小的工作單位。例如，在SQL語言中，定義事務(wù)的語句有三條：

BEGIN TRANSACTION；

COMMIT；

ROLLBACK；

其中的BEGIN TRANSACTION是事務(wù)開始的標(biāo)記，而以COMMIT或者ROLLBACK結(jié)束，COMMIT用于提交事務(wù)的所有操作，ROLLBACK則在事務(wù)運(yùn)行過程中一旦發(fā)生了某種故障而使事務(wù)無法繼續(xù)執(zhí)行的時候，系統(tǒng)就將事務(wù)中對數(shù)據(jù)庫的所有剛剛完成的操作全部撤消，滾動回到事務(wù)開始時的狀態(tài)。

為了充分利用系統(tǒng)資源，使數(shù)據(jù)庫的共享資源得以有效利用，必須可以使多個事務(wù)并行的執(zhí)行，而數(shù)據(jù)庫對并行執(zhí)行的事務(wù)進(jìn)行的控制就是并發(fā)控制。

三、事務(wù)進(jìn)行并發(fā)操作可能引起的數(shù)據(jù)不一致問題

由于種種原因，都可能引起數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)遭到破壞，比如多個事務(wù)在并行運(yùn)行的時候，不同的事務(wù)的操作產(chǎn)生了交叉執(zhí)行，或者，事務(wù)在運(yùn)行過程中被強(qiáng)行停止或者中斷。

因此，事務(wù)在進(jìn)行并發(fā)操作的時候很可能引起數(shù)據(jù)的不一致，下面我們看一個具體的例子。例如飛機(jī)票的聯(lián)網(wǎng)銷售系統(tǒng)，如果有以下的操作序列：

1.甲售票處（設(shè)置為T1事務(wù)）讀出某班次的機(jī)票剩余數(shù)A，設(shè)A=20

2.乙售票處（設(shè)置為T2事務(wù)）讀出同班次的機(jī)票剩余數(shù)A，也是20

3.甲售票處（T1事務(wù)）賣出一張機(jī)票，修改剩余數(shù)減一（A←A-1），把A=19寫回數(shù)據(jù)庫中

4.乙售票處（T2事務(wù)）也賣出一張機(jī)票，修改剩余數(shù)減一（A←A-1），把A=19寫回數(shù)據(jù)庫中

從這些操作中，我們看到，乙售票處的修改數(shù)據(jù)覆蓋了甲售票處修改的數(shù)據(jù)，實(shí)際發(fā)生了兩張機(jī)票的銷售，而數(shù)據(jù)庫中卻錯誤的存入19，少了一張。參看圖1的情況。

這種情況是并發(fā)操作引起數(shù)據(jù)不一致的第一種情況，叫做丟失修改(Lost Update)，第二種是不可重復(fù)讀（Non-Repeatable Read），第三種是讀“臟”數(shù)據(jù)（Dirty Read）。

下邊看第二種情況，不可重復(fù)讀是指事務(wù)T1讀數(shù)據(jù)以后，T2執(zhí)行更新操作，就使T1無法再現(xiàn)原先讀取的數(shù)據(jù)，得到與上一次不同的結(jié)果，例如圖2。

讀“臟”數(shù)據(jù)是指T1修改某數(shù)據(jù)并將其寫回數(shù)據(jù)庫，T2讀取同一數(shù)據(jù)后，T1由于某種原因被撤消，T1執(zhí)行回滾，恢復(fù)到原始的數(shù)據(jù)，T2就讀取到了過程中的一個作廢的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)就是一種垃圾數(shù)據(jù)，稱之為“臟”數(shù)據(jù)，也是不正確的。參看圖3。

從以上例子我們看到，數(shù)據(jù)不一致性的主要原因就是并發(fā)操作沒有對事務(wù)進(jìn)行一定的隔離，所以，正確的調(diào)度應(yīng)該使一個用戶的事務(wù)不受到其他事務(wù)的干擾，從而避免數(shù)據(jù)的不一致性。

四、在并發(fā)控制中采用封鎖協(xié)議解決數(shù)據(jù)的不一致性

并發(fā)控制的主要方法是封鎖(Locking)。就是要用正確的方式調(diào)度并發(fā)操作，使一個用戶的事務(wù)在執(zhí)行過程中不受其他事務(wù)的干擾，從而避免造成數(shù)據(jù)的不一致性。

封鎖是使事務(wù)對它要操作的數(shù)據(jù)有一定的控制能力。封鎖通常具有3個環(huán)節(jié):第一個環(huán)節(jié)是申請加鎖，即事務(wù)在操作前要對它將使用的數(shù)據(jù)提出加鎖申請;第二個環(huán)節(jié)是獲得鎖，即當(dāng)條件成熟時，系統(tǒng)允許事務(wù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖，從而事務(wù)獲得數(shù)據(jù)的控制權(quán)；第三個環(huán)節(jié)是釋放鎖，即完成操作后事務(wù)放棄數(shù)據(jù)的控制權(quán)。

基本的封鎖類型有以下兩種：

1.排它鎖（Exclusive Locks，簡稱X鎖）

排它鎖也稱為獨(dú)占鎖或?qū)戞i。一旦事務(wù)T對數(shù)據(jù)對象A加上排它鎖（X鎖），則只允許T讀取和修改A，其他任何事務(wù)既不能讀取和修改A，也不能再對A加任何類型的鎖，直到T釋放A上的鎖為止。

2.共享鎖（Share Locks，簡稱S鎖）

共享鎖又稱讀鎖。如果事務(wù)T對數(shù)據(jù)對象A加上共享鎖（S鎖），其他事務(wù)只能再對A加S鎖，不能加X鎖，直到事務(wù)T釋放A上的S鎖為止。

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行加鎖時，另外需要約定并執(zhí)行一些規(guī)則和協(xié)議，其中包括何時申請鎖，保持鎖的時間以及何時釋放等，這些規(guī)則就稱為封鎖協(xié)議(Locking Protocol)，其總共分為以下三級:

(1)一級封鎖協(xié)議。一級封鎖協(xié)議是事務(wù)T在修改數(shù)據(jù)之前必須先對其加X鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放。

(2)二級封鎖協(xié)議。二級封鎖協(xié)議是事務(wù)T對要修改數(shù)據(jù)必須先加X鎖，直到事務(wù)結(jié)束才釋放X鎖；對要讀取的數(shù)據(jù)必須先加S鎖，讀完后即可釋放S鎖。

(3)三級封鎖協(xié)議。三級封鎖協(xié)議是事務(wù)T在讀取數(shù)據(jù)之前必須先對其加S鎖，在要修改數(shù)據(jù)之前必須先對其加X鎖，直到事務(wù)結(jié)束后才釋放所有鎖。

執(zhí)行了封鎖協(xié)議之后，就可以克服數(shù)據(jù)庫操作中的數(shù)據(jù)不一致所引起的問題。

參看圖4。

從圖4的情況我們看到事務(wù)T1在執(zhí)行過程中獨(dú)自占用并加X鎖，直到處理完之后再釋放鎖，T2雖然也需要使用，但是在封鎖協(xié)議的約束之下，T2所要求的X鎖就被拒絕，因此必須處于等待狀態(tài)，直到T1釋放之后，T2才獲得使用的權(quán)利，這樣就不會發(fā)生使用沖突，避免了數(shù)據(jù)的丟失。這里我們看到，此處實(shí)際上是執(zhí)行了一級封鎖協(xié)議。

下面我們看圖5。

通過圖5，能夠清楚的看到，由于施行了封鎖協(xié)議，使事務(wù)T1使用了共享鎖占用A，B兩塊數(shù)據(jù)，這樣T2需要加上的X鎖就無法實(shí)現(xiàn)，(如果是S鎖，雖然可以加上，但也不能夠隨便修改數(shù)據(jù)，只是讀取一下數(shù)據(jù)。)當(dāng)T1釋放鎖之后，T2就可以得到并使用鎖了，這樣讀取的數(shù)據(jù)B仍然還是100，不影響A+B的結(jié)果，這就是可重復(fù)讀取。因此我們看到，其實(shí)這里用的就是三級封鎖協(xié)議。

參看圖6，事務(wù)T1在對數(shù)據(jù)C修改之前，先加上了X鎖，修改后寫回數(shù)據(jù)庫，這時T2請求在C上添加S鎖，因?yàn)門1加了X鎖，T2只好等待，當(dāng)T1因?yàn)槟撤N原因撤銷了修改的數(shù)據(jù)后，C就恢復(fù)了原來的數(shù)據(jù)100，等T1釋放X鎖后T2獲得C上的S鎖，讀到的還是C=100，因此避免了讀出“臟”數(shù)據(jù)。這里使用的其實(shí)就是二級封鎖協(xié)議。

通過以上內(nèi)容，數(shù)據(jù)庫由于采用一定的封鎖協(xié)議避免了數(shù)據(jù)的不一致性問題，這使得數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制有效而且有益，從而使得多項(xiàng)事務(wù)可以并行的操作數(shù)據(jù)庫的共享資源了。這就是數(shù)據(jù)庫合理的進(jìn)行調(diào)度，避免了沖突，避免了數(shù)據(jù)的不一致。

參考文獻(xiàn):

[1]苗雪蘭:數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)原理及應(yīng)用教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004

[2](美)Mary Pyefinch著:希望圖書創(chuàng)作室譯[M].SQL數(shù)據(jù)庫開發(fā)從入門到精通[M].北京希望電子出版社，2000

[3]丁寶康董健全:數(shù)據(jù)庫使用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2001

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。