◆楊貽宏

面向嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的并發(fā)控制策略的探討

◆楊貽宏

（上海飛旗網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 上海 201203）

近年來，嵌入式數(shù)據(jù)庫（RTDBS）被廣泛應(yīng)用在各種嵌入式產(chǎn)品之中。作為一種重要的計算機信息處理手段，嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的最佳性能的儲存和恢復(fù)功能。同時，嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在進(jìn)行運作時，系統(tǒng)能夠依據(jù)環(huán)境實時反應(yīng)，為用戶分析提供最新最佳的數(shù)據(jù)。由此可見，實時性嵌入系統(tǒng)對電子信息市場進(jìn)行了有效地改革。本文對嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的并發(fā)控制策略進(jìn)行了探討，希望能為嵌入式系統(tǒng)更好服務(wù)信息領(lǐng)域提供理論依據(jù)。

嵌入式數(shù)據(jù)庫；并發(fā)控制策略；探討；理論依據(jù)

0 前言

隨著企業(yè)數(shù)據(jù)庫的不斷深化，傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)庫如Oracle、Sybase已經(jīng)不能滿足企業(yè)嵌入式使用要求。常見的嵌入實時數(shù)據(jù)庫如BerkeleyDB、LevelDB、SQLite能夠為用戶提供高速、高量的信息數(shù)據(jù)處理功能。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，嵌入實時數(shù)據(jù)庫能保障數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、可靠、符合邏輯。兼并實時數(shù)據(jù)處理和嵌入式數(shù)據(jù)系庫的特征，嵌入式實時數(shù)據(jù)庫還具備實時嵌入、主動分析等功能。因此也被廣泛應(yīng)用在我國軍事、航天、工業(yè)制造、人工智能、電氣家用和智能建筑中。可見，對嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究分析是當(dāng)代信息技術(shù)行業(yè)的發(fā)展重點。

2 面向嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并發(fā)控制實現(xiàn)方法

2.1 簡述實時數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

和傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有著明顯的不同，實時數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)庫中的“一致性”要求各有利弊。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫重點是實現(xiàn)可串行化，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)并發(fā)控制目的是保持?jǐn)?shù)據(jù)一致邏輯性，具有著ACID的特性。在并發(fā)控制計算中，受到數(shù)據(jù)庫執(zhí)行的影響，事務(wù)往往會出現(xiàn)阻礙或者無期限的延遲。這是因為可串行化標(biāo)準(zhǔn)過于嚴(yán)格而實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有需要滿足數(shù)據(jù)時態(tài)一致性。為了減少數(shù)據(jù)遲緩對效率的影響，可以采取通過改編方式放寬可串行化的標(biāo)準(zhǔn)，讓更多的事務(wù)通過并滿足滿足截止期，兼顧可串行化編制和時態(tài)一致性的要求。這種方式利用了實時數(shù)據(jù)在特殊時間間隔的刷新，在此背景下，并發(fā)引入的一致性在數(shù)據(jù)庫中被弱化，因而數(shù)據(jù)內(nèi)容不會存在過于明顯的不一致偏差。利用這個特征，借助局外不一致性的補倉技術(shù)可以進(jìn)行補救，讓其盡快恢復(fù)一致。

根據(jù)企業(yè)發(fā)展模式，東軟集團開發(fā)了如Open BASE Lite嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。它能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的SQL語法、ACID事務(wù)特性，為企業(yè)數(shù)據(jù)分析提供了標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)JDBC、ODBC接口，能有利于實時數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制。

2.2 嵌入式實時數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制方法

通過分析嵌入式實時數(shù)據(jù)庫的并發(fā)特征可知，并發(fā)控制的過程利用了傳統(tǒng)非實時數(shù)據(jù)庫作為媒介從而實現(xiàn)控制目的。實際上，要實現(xiàn)嵌入式實時數(shù)據(jù)的并發(fā)控制，對數(shù)據(jù)庫的軟件環(huán)境和應(yīng)用場景有著重要要求。

隨著近年來我國科研的不斷突破，我國在嵌入式實時數(shù)據(jù)庫方面已經(jīng)取得了大量的理論研究成果。并提出了基于鎖、時間戳等實時數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制方法。本文針對正確性標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)并發(fā)控制協(xié)議兩個方面的實時性改造，同時分析事務(wù)替代特征的并發(fā)控制，做出了以下探討。

2.2.1時標(biāo)排序形式的并發(fā)控制

此類并發(fā)控制又被簡稱為TO。他的處理方式是將每一事務(wù)Ti均給予一個時標(biāo)ts(Ti)。如在進(jìn)程中出現(xiàn)事務(wù)Ti的操作請求指令與已在處理的事務(wù)Tj發(fā)生沖突。也存在且ts(Tj)＞ts(Ti)的情況。就按照設(shè)置判定Ti夭折。同時，當(dāng)發(fā)生夭折事務(wù)時，更大的時標(biāo)將會覆蓋當(dāng)前，程序重新開始。

2.2.2鎖式方式的并發(fā)控制

傳統(tǒng)的2PL鎖式協(xié)議不能滿足實時數(shù)據(jù)庫的需求。面對更為高級的“優(yōu)先級顛倒”和“死鎖”，需要采取正確的并發(fā)控制策略。

（1）對TR優(yōu)先級處理：通過提高“占有”和“請求”的TR優(yōu)先級順序，能夠解鎖優(yōu)先級順序顛倒，讓TH適應(yīng)環(huán)境執(zhí)行命令直到結(jié)束。不過，可能TR的阻塞無期限延時。

（2）改變夭折順序：通過選擇夭折的先后順序，對高優(yōu)先級TR進(jìn)行執(zhí)行，對低優(yōu)先級的TH進(jìn)行夭折，這是優(yōu)先級顛倒的一個處理方式。不過可能會造成系統(tǒng)出現(xiàn)導(dǎo)致循環(huán)夭折情況。

（3）指定置頂優(yōu)先級：要實現(xiàn)一個事務(wù)對一個數(shù)據(jù)鎖的獲取，需要讓其優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有的優(yōu)先級事務(wù)。不然不能獲取數(shù)據(jù)鎖還會造成數(shù)據(jù)的堵塞。通過指定置頂優(yōu)先級，采用一種設(shè)置數(shù)據(jù)優(yōu)先級的方法獲取順序，可以實現(xiàn)動態(tài)的指定每一數(shù)據(jù)優(yōu)先獲取數(shù)據(jù)所有事務(wù)存讀的優(yōu)先級，將其他被鎖住的數(shù)據(jù)優(yōu)先級考慮除外。實現(xiàn)“優(yōu)先置頂”，降低數(shù)據(jù)堵塞風(fēng)險。

（4）共享數(shù)據(jù)：為了保障可串行化的執(zhí)行，一種特殊的“共享數(shù)據(jù)”模式的鎖間關(guān)系保障了事務(wù)讀取的流暢性。在實施時，事務(wù)Tj在獲取Ti事務(wù)的共享數(shù)據(jù)的鎖后，需要等待直到Ti結(jié)束后才能執(zhí)行對應(yīng)的Tj信息提交和對應(yīng)數(shù)據(jù)操作。

2.3 分析“樂觀”并發(fā)控制的模式

“樂觀”并發(fā)控制又被業(yè)內(nèi)稱之為(OCC)，它發(fā)生的情況比較特殊。如在可串行化要求下，是不能在提交時分析超低沖突發(fā)生率的事務(wù)在無障礙運行的環(huán)境下沖突發(fā)生的過程。因為，提交過程不具備分析沖突能力，只能判斷通過與否，事務(wù)若通過檢驗就會被提交，若沒有就不提交。

為此可以采取分段事務(wù)執(zhí)行的方式。將事務(wù)執(zhí)行拆分為讀、驗證、寫三個階段。三段在通過事務(wù)判斷時候能夠進(jìn)行分別驗證，能夠?qū)_突發(fā)生的階段進(jìn)行分析和讀取。

2.4 ε類型的可串行化并發(fā)控制

“散度控制”是ε類型的可串行化并發(fā)控制的特征，此種方式的關(guān)系是對允許度的不一致性控制。常見的方式有樂觀散度控制法、兩段鎖散度控制、時標(biāo)排序散度控制等。

2.5 Quas類型的可串行化并發(fā)控制

Quas類型的可串行化并發(fā)控制有著準(zhǔn)一致可串行化的特征。存在于事務(wù)集中單一事務(wù)提交狀態(tài)和精確串行調(diào)度要求差距允許數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

2.6 基于功能開發(fā)中可替代并發(fā)控制

傳統(tǒng)并發(fā)控制的策略核心是通過提高實時事務(wù)的優(yōu)先級并減低資源可控度從而保護(hù)硬性實時事務(wù)。然而這種策略一定程度上只是將事務(wù)外部進(jìn)行了處理，對內(nèi)部事務(wù)的成因沒有進(jìn)行探討。當(dāng)系統(tǒng)中真實發(fā)生硬性實時事務(wù)沖突現(xiàn)象，這些策略不能保全優(yōu)先級較低的事務(wù)，這些缺乏安全保護(hù)的事務(wù)會不斷出現(xiàn)夭折；與此同時，優(yōu)先級事務(wù)資源區(qū)域也會發(fā)生更加嚴(yán)重的沖突，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰?？梢?，傳統(tǒng)的開發(fā)控制策略需要改進(jìn)。而采取功能替代性的方式能夠讓事務(wù)實現(xiàn)多路徑執(zhí)行。它的特點是若存在路徑失敗，可以有選擇地用另一臺進(jìn)行替代，這提高了事務(wù)通過的成功率。

3 結(jié)語

在推動嵌入式數(shù)據(jù)庫和實時信息不斷發(fā)展的同時，人們對事務(wù)處理的速度、數(shù)據(jù)加密鎖的建設(shè)加大關(guān)注。嵌入式設(shè)備的廣泛應(yīng)用對實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建設(shè)也提出了高難度要求。本文通過對嵌入式實時數(shù)據(jù)系統(tǒng)的并發(fā)控制探討，對現(xiàn)有的控制方法和使用問題進(jìn)行了一定分析，對事務(wù)沖突處理中存在的數(shù)據(jù)并發(fā)控制、可串行化、優(yōu)先級問題進(jìn)行了探討，希望能為相關(guān)工作人員有所幫助。

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