并发控制技术
《并发控制》课件
这个PPT课件将带你了解并发控制的基本概念、重要性以及各种策略和技术。 让我们一起探索并发控制的不同方面和未来发展方向。
什么是并发控制?
并发控制是指在多用户环境下，对并发访问数据库的各种操作进行协调和管 理的一种技术。它的目标是保证数据的一致性和隔离性。
并发控制的作用与意义
事务执行过程中数据库从一个一致状态转换到另 一个一致状态。
隔离性
事务之间相互隔离，各自独立运行，互不干扰。
持久性
事务一旦提交，对数据库的修改就是永久性的。
事务的提交与撤销
1 提交事务
将事务的修改结果持久化到数据库中，使其对其他事务可见。
2 撤销事务
撤销事务的修改操作，将数据库恢复到事务开始之前的状态。
日志文件的作用与种类
1 作用
记录数据库的操作和修改过程，用于数据库 的恢复和重做操作。
2 种类
包括事务日志、撤销日志和重做日志等。
数据库恢复的两种常用方法
基于备份
使用数据库备份文件进行恢复，可以恢复整个数据库的一致性状态。
基于日志
根据日志文件的记录，对数据库进行恢复和重做操作，使其回到一致性状态。
1 数据一致性保证
通过并发控制，可以避免数据被多个并发操作同时修改而导致不一致的情况发生。
2 并发性能优化
有效的并发控制策略可以提高数据库系统的并发处理性能，降低响应时间。
3 资源利用率提高
合理的并发控制可以充分利用系统资源，提高系统利用率。
并发控制策略的分类
乐观并发控制
基于假设操作之间的冲突很少发生，采用乐观锁和版本号等机制来解决冲突。
2 已提交读
一个事务中的修改只有在提交后才能被其他 事务读取，避免了脏读的问题。
基于分布式系统的并发控制方法研究
基于分布式系统的并发控制方法研究一、绪论随着信息时代的到来，计算机技术正迅速变革着社会生产和生活方式，而并发控制则是分布式系统领域中的一个重要而又复杂的问题。
在分布式系统中，不同的节点会同时访问共享资源，而并发控制方法的主要目的就是确保在并发访问资源时能够正确地保持数据的一致性，保证系统的安全性和正确性。
本文将结合当前分布式系统的实际状况，分析并发控制方法的具体应用，阐述分布式系统中并发控制的基本原理及其相关的技术实现。
二、并发控制基础并发控制方法是分布式系统中的重要组成部分，理解并掌握并发控制方法的基本原理是探讨其技术实现和发展趋势的关键。
在并发控制领域中，有四种经典的并发控制技术：互斥（Mutex）、临界区（Critical Section）、信号量（Semaphore）和事务（Transaction）。
2.1 互斥（Mutex）互斥是指在同一时刻只允许一个操作访问共享资源。
比如在多线程编程中，开发者经常使用互斥锁的方式来避免两个线程同时访问数据时发生冲突。
在分布式系统中，互斥机制通常使用锁机制来实现。
实现方式包括基于消息通信的锁服务和基于共享内存的锁服务。
2.2 临界区（Critical Section）临界区是指同时只允许一个进程进入的代码块。
在多线程编程中，通常通过加锁控制线程访问临界区。
在分布式系统中，多线程构成的系统会面对由不同进程访问同一共享资源引起的问题。
这时需要通过加锁方式控制不同进程的访问，防止进程访问共享资源时出现冲突。
2.3 信号量（Semaphore）信号量是一种基于计数器的并发控制技术，用于控制对共享资源的访问权。
信号量的工作方式是通过给定的计数器，记录当前有多少进程正在访问涉及到的共享资源。
在分布式系统中，信号量可以使用分布式锁技术实现。
2.4 事务（Transaction）在分布式事务领域中，事务（Transaction）是指作为一个原子操作单元执行的一组操作。
mvcc多版本并发控制的原理
mvcc多版本并发控制的原理多版本并发控制（MVCC）是一种数据库并发控制技术，用于在多用户同时访问数据库时确保事务的一致性和隔离性。
MVCC技术在许多常见的数据库系统中都得到了广泛的应用，比如PostgreSQL、MySQL 和Oracle等。
本文将介绍MVCC技术的原理及其在数据库系统中的应用。
1. MVCC技术的原理MVCC技术的核心原理是基于对数据的多个版本进行管理。
它通过在数据库中维护数据的多个版本来实现并发控制，从而避免了传统的锁定机制所带来的性能问题。
在MVCC中，每个事务可以看到一个数据的特定版本，而不需要等待其他事务的提交或者回滚。
MVCC技术的实现依赖于以下几个关键组件：-版本号：每个数据行都有一个对应的版本号，用于标识该数据的版本。
当一个事务对数据进行修改时，数据库会为其生成一个新的版本号。
-可见性控制：数据库系统使用版本号来判断一个事务是否可以看到某个数据的版本。
当一个事务开始时，数据库会为该事务定义一个可见性范围，只有在该范围内生成的数据版本才可以被该事务看到。
在MVCC技术中，数据的修改不会直接覆盖原始数据，而是生成一个新的版本。
这样做的好处是可以避免对原始数据的修改，从而减少了数据的冲突和锁定。
当一个事务需要对数据行进行修改时，MVCC会为其生成一个新的数据版本，并更新事务的可见性范围，从而保证事务之间的隔离性。
2. MVCC技术在数据库系统中的应用MVCC技术在数据库系统中的应用非常广泛，尤其是在需要高并发访问的场景下。
下面我们将介绍MVCC技术在一些常见数据库系统中的应用。
(1) PostgreSQLPostgreSQL是一个开源的关系型数据库系统，在其内部实现了MVCC技术。
PostgreSQL使用了基于快照的多版本并发控制机制，它通过为每个事务分配唯一的事务ID来实现可见性的控制。
当一个事务对数据进行修改时，PostgreSQL会为其生成一个新的数据版本，并将旧的版本标记为无效，从而保证了事务之间的隔离性。
简述数据库的并发控制概念以及并发控制的主要方法
简述数据库的并发控制概念以及并发控制的主要方法数据库的并发控制是指在多个用户同时访问数据库的情况下，确保数据的一致性和完整性。
并发控制的主要目标是在保证数据库事务的正确执行的同时，提高数据库系统的并发性能。
并发控制的概念：并发控制是指对同一资源的访问是受到一定的控制，以确保数据库的一致性和完整性。
在数据库系统中，多个用户可以同时执行事务，而这些事务可能会对数据库中的数据进行读取和修改操作。
并发控制机制必须保证多个事务对数据库的并发执行不会导致数据的不一致性和冲突。
并发控制的主要方法：1.锁定机制：锁定是指在事务执行期间，对被访问的数据进行加锁，以防止其他事务对该数据进行修改。
锁定机制可以分为共享锁（用于读操作）和排他锁（用于写操作）。
当事务需要对一些数据项进行读取或修改时，需要先获取相应的锁。
如果资源已经被其他事务锁定，则当前事务需要等待资源释放后才能继续执行。
2.时间戳机制：时间戳是给每个事务分配的一个唯一的标识，用来标记事务的开始时间或提交时间。
事务执行期间，每个事务所访问的数据都会被标记上时间戳，以记录事务对数据的读取和修改操作。
在并发执行时，系统可以根据时间戳的顺序来判断事务的串行执行顺序，从而避免冲突和不一致性。
3.多版本并发控制（MVCC）：MVCC是在每个数据项上维护多个版本的数据，每个事务执行时，可以根据事务的时间戳或版本号来读取对应的数据版本。
MVCC对读取操作不加锁，只对写操作加锁，从而提高了并发性能。
当一个事务需要修改一些数据时，会生成新的数据版本，并将新版本的指针指向旧版本，这样其他事务可以继续读取旧版本的数据，不会被阻塞。
4.乐观并发控制：乐观并发控制假设在事务提交时不会发生冲突，因此不对数据进行加锁。
当事务提交时，系统会检查该事务对数据修改时是否发生冲突。
如果没有冲突，该事务的修改操作会被接受，否则会被回滚，重新执行。
除了以上主要的并发控制方法，还有一些辅助的并发控制技术，如死锁检测和恢复、并发控制粒度的调整、多级锁技术等。
并发控制的主要方法是
并发控制的主要方法是并发控制是指多个用户同时对数据库进行操作时的一种机制，它的目的是保证数据库在并发操作过程中能够保持数据的一致性、完整性和正确性。
在并发控制中，有一些主要的方法和技术被广泛应用于数据库系统。
1. 锁定机制锁定机制是最常见和基本的并发控制方法之一，它通过在并发操作过程中对数据资源加锁来保证数据的一致性和正确性。
在数据库中，可以使用不同级别的锁（如共享锁和排他锁）对数据进行加锁，以控制并发操作对数据的访问。
锁定机制可以有效地避免数据的丢失和不一致，但也可能引起死锁和性能问题。
2. 事务处理事务处理是一种常用的并发控制方法，它将多个数据库操作组合成一个逻辑单元，要么全部执行成功，要么全部回滚，以确保数据的一致性。
通过对事务的隔离和原子性操作的要求，可以有效地控制并发操作对数据的影响。
在事务处理中，可以使用锁定机制、时间戳机制和多版本并发控制等技术来实现并发控制。
3. 多版本并发控制（MVCC）多版本并发控制是一种先进的并发控制方法，它通过为每个事务创建一个独立的读取版本，使得多个事务可以同时读取和修改数据，而不会相互干扰。
多版本并发控制通过为每个数据项的每个版本分配一个唯一的时间戳来实现，它可以提高并发访问性能和资源利用率，并减少死锁和阻塞问题的发生。
4. 并发控制协议并发控制协议是一种用于控制并发操作的协议，它定义了多个事务之间的执行顺序和互斥关系。
常见的并发控制协议有两阶段锁定协议（2PL）、时间戳排序协议（TSO）、验证协议和快照隔离协议等。
并发控制协议可以根据实际应用场景和需求选择合适的协议，以确保数据的一致性和正确性。
5. 乐观并发控制乐观并发控制是一种无锁的并发控制方法，它基于假设多个事务之间的冲突很少发生，事务可以同时执行而不发生冲突。
通过在事务执行过程中记录每个数据项的读取和写入操作，在提交时对事务进行冲突检测和冲突解决，可以有效地保证数据的一致性和正确性。
乐观并发控制适用于并发读多写少的场景，并具有较好的性能和可扩展性。
操作系统中的并发控制
操作系统中的并发控制随着计算机技术的不断发展，操作系统已成为现代计算机系统中不可或缺的核心组成部分。
在多用户、多任务的环境下，操作系统需要管理和控制资源的分配和调度，以确保系统的高效运行和资源的合理利用。
而其中一个重要的方面就是并发控制。
一、什么是并发控制在操作系统中，所谓并发指的是两个或多个事件在同一时间间隔内同时发生的情况。
而并发控制则是指对多个并发执行的进程或线程进行协调和管理，以避免出现潜在的问题，如资源竞争、死锁等。
二、并发控制的目标并发控制的目标是确保多个进程或线程在并发执行过程中能够正确地共享和访问资源，并且不会发生竞争条件和冲突。
主要包括以下几个方面：1. 互斥访问：确保同一时间内只有一个进程或线程能够访问共享资源，避免数据的不一致性和错误的结果。
2. 死锁避免：通过合理的资源分配和进程调度，防止进程陷入循环等待的状态，造成系统无法正常进行的情况。
3. 同步执行：确保多个进程或线程按照特定的顺序进行执行，避免因执行顺序不确定而导致的问题。
三、并发控制的方法为了实现并发控制，操作系统采用了多种方法和机制，下面介绍其中常见的几种方法。
1. 互斥锁：互斥锁是一种最常见的并发控制机制，通过给共享资源加锁，并在访问资源前先判断锁的状态，以实现临界区的互斥访问。
2. 信号量：信号量是一种用于进程间同步和互斥的机制，通过对共享资源进行计数和操作，实现资源的互斥访问和进程的同步执行。
3. 读写锁：读写锁是一种特殊的互斥锁，允许多个线程同时对共享资源进行读操作，但在有写操作时需要互斥访问。
4. 事件：事件是一种用于线程同步的机制，通过线程之间的信号通知来实现特定操作的协调和同步。
5. 临界区：临界区是一段代码，在多个进程或线程中同时访问时需要进行互斥控制的区域，通过临界区的互斥访问实现并发控制。
四、并发控制的应用并发控制在操作系统中的应用广泛，影响着系统的性能和用户体验。
以下是几个常见的应用场景：1. 数据库管理系统：数据库管理系统需要确保多个用户能够同时对数据库进行读写操作，但又不会导致数据的冲突和不一致。
并发控制的方法
并发控制的方法
并发控制是指在多个用户或进程同时访问共享资源时，保证数据一致性和完整性的一种技术。
下面介绍几种常见的并发控制方法。
1. 乐观并发控制
乐观并发控制是指在多个用户或进程同时访问共享资源时，先不加锁，而是在提交操作时检查是否有冲突。
如果有冲突，则回滚事务，重新尝试。
这种方法适用于并发冲突较少的场景，能够提高并发性能。
2. 悲观并发控制
悲观并发控制是指在多个用户或进程同时访问共享资源时，先加锁，保证每个用户或进程的操作互不干扰。
这种方法适用于并发冲突较多的场景，能够保证数据的一致性和完整性。
3. 两阶段锁
两阶段锁是指在执行事务时，先获取所有需要的锁，然后执行操作，最后释放所有锁。
这种方法能够保证数据的一致性和完整性，但是会降低并发性能。
4. 时间戳并发控制
时间戳并发控制是指在每个事务开始时，给事务赋予一个时间戳，每个数据项也有一个时间戳。
在执行操作时，比较事务时间戳和数据项时间戳，如果事务时间戳早于数据项时间戳，则执行操作，否则回滚事务。
这种方法能够保证数据的一致性和完整性，但是会增加系统开销。
5. 多版本并发控制
多版本并发控制是指在每个数据项中存储多个版本，每个版本有一个时间戳。
在执行操作时，选择最新的版本进行操作。
这种方法能够提高并发性能，但是会增加系统开销。
以上是几种常见的并发控制方法，不同的方法适用于不同的场景，需要根据具体情况选择合适的方法。
mvcc多版本并发控制的原理
mvcc多版本并发控制的原理MVCC（Multiversion Concurrency Control）是一种多版本并发控制技术，用于数据库管理系统中的事务并发控制。
在MVCC中，每个事务可以并发访问数据库的不同版本，而不会发生读-写、写-写冲突。
MVCC的原理是为每个数据对象维护多个版本，每个版本都有一个时间戳或者版本号，并且在事务执行过程中，数据库系统会根据事务的时间戳或者版本号来确定事务所能看到的数据版本。
MVCC的目标是提高数据库的并发性能和事务的并发控制能力，以减少事务对数据库资源的争用和降低事务之间的冲突。
MVCC可以有效地提高事务的并发度，减少锁的竞争，提高数据库的整体性能。
MVCC的实现原理如下：1.数据对象多版本管理：在MVCC中，每个数据对象都会维护多个版本的数据。
当一个事务对数据进行修改时，数据库系统会生成一个新的数据版本，并将新版本的数据与事务的时间戳或版本号关联起来。
这样，每个数据对象都会有多个版本，每个版本与特定事务的时间戳或版本号相关联。
2.读操作和写操作的版本控制：在MVCC中，读操作和写操作都要根据事务的时间戳或版本号来确定所能看到的数据版本。
对于读操作，数据库系统会根据事务的时间戳或版本号来确定可见的数据版本，并返回给事务；对于写操作，数据库系统会生成新版本的数据，并将新版本与事务的时间戳或版本号关联起来。
3.事务并发控制：在MVCC中，事务的并发控制是通过数据版本的时间戳或版本号来实现的。
当一个事务开始执行时，数据库系统会为该事务分配一个唯一的时间戳或版本号，该事务所能看到的数据版本就是小于或等于该时间戳或版本号的所有数据版本。
这样，不同事务之间的读-写、写-写冲突可以通过版本号的比较来解决。
4.事务的可见性控制：在MVCC中，事务的可见性是通过版本控制来实现的。
当一个事务执行读操作时，数据库系统会根据事务的时间戳或版本号来确定可见的数据版本，并返回给事务。
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事务管理器（TM）对于每一个 BEGIN TRANSCATION（可能是隐含地发出的）命 令都初始化一个事务，并赋予它一个事务标识符 i。其后的所有操作调用都由事务 管理器传递给调度器。 并发控制：调度器对于它从 TM 接收到的各事务动作，或者允许它们立即在数 据库上操作， 或者必须让它们处于等待状态， 直至调度器认为执行它是安全的时候。 问题：当连续向系统提出事务时，很难确定调度从什么时候开始，在何时结束。 假定：可串行性只相关于 S 的已提交事务投影 C（S） ，它仅包含 S 中已提交事 务的动作。如果任何时候 S 的已提交事务投影 C（S）都等价于某个串行调度，那么 我们可以从理论上承认 S 的可串行性，因为 DBMS 需要保证的仅仅是已提交事务的 可串行性。
l1 (A)； r1 (A)；
A：＝A+100；
w1 (A)； u 1 (A)；
l 2 (A)； r2 (A)；
A：＝A*2； w2 (A)； u2 (A)；
125
250
l 2 (B)； r2 (B)；
B：＝B*2；
w2 (B)； u2 (B)；
l1 (B)； r1 (B)；
B：＝B+100；
50
w1 (B)； u 1 (B)；
调度合法性：任何两个事务都不能封锁同一元素，除非其中一个事务已经先释放其锁。
扩展关于动作的记法，以加入封锁和解锁动作：
但后面将会有一个 ui X ” 。调度的合法性表述为： “如果调度中在动作 li X 后有 l j X ，那么这些动作之间的某个地方必然有 一个动作 ui X 。 仅有事务的封锁一致性和调度的合法性对于保证可串行化是不够的。 T1 T2 A 25 B 25
封锁机制
事务必须获得对它所要访问数据库元素的锁，以防止其他事务对于这些元素以不恰当方式进行几乎同时的访问，而导致可串 行化调度被破坏。
锁: 锁不过是对于数据库对象进行访问的某种合法性标记。当一个事务获得对于给定数据库对象的某种锁时，即是获得了对于 该数据库对象进行给定权限操作的合法性。有许多不同锁类型, 最基本的区分是只读锁与可读写锁: 只读锁: 也称之共享锁，可以由多个事务同时持有。 可读写锁: 也称之排他锁，在任何时候都只能由唯一的事务所持有。 封锁协议: 一个必须由所有事务共同遵守的规则集合。
事务的一致性条件可以表述为： “只要事务 Ti 有动作 ri X 或 wi X ， 那么前面必然有一个动作 li X 且二者之间没有 ui X ，
ui X ：事务 Ti 释放它在数据项 x 上的锁(解锁)。
li X ：事务 Ti 请求数据项 X 上的锁。
125 250
r1 (B)；B：＝B+100； w1 (B)； u1 (B)；
l 2 (B)； u2 (A)； r2 (B)；
B：＝B*2；
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w2 (B)； u2 (B)；
封锁调度器推迟将导致非法调度的请求．
250
可以通过下面两阶段封锁规则保证一致事务的合法调度是冲突可串行化的。
两阶段封锁（2PL） ：在每一个事务中，所有封锁请求先于所有解锁请求。
服从 2PL 条件的事务被称为两阶段封锁事务，或 2PL 事务。
死锁问题
两阶段封锁一个末解决的问题是死锁的可能性，即调度器迫使几个事务永远地等待另一个事务持有的锁。
T1
T2
A 25
B 25
l1 (A)； r1 (A)；
l 2 (B)； r2 (B)；
A：＝A+100； B：＝B*2；
w1 (A)； l1 (B)被拒绝
考虑只存在排它锁的简单封锁模式
一个必须由所有事务遵循的基本规则是：
事务的（封锁）一致性，即动作和锁必须按预期的方式发生联系。它要求： (1) 事务只有已经在数据库元素上申请了锁并且还没有释放锁时才能读或写该数据库元素。 (2) 如果事务封锁某个数据库元素，它以后必须为该元素解锁。
必须由封锁调度器实施的基本约束是：
一致事务的一个合法调度；但不是可串行化的
150
当事务 T1 执行对于数据项 B 的计算时，它的值已经被另一个事务 T2 改变，这与隔离性的基本原则即是冲突的。
T1
T2
A 25
B 25
l1 (A)； r1 (A)u1 (A)；
l 2 (A)； r2 (A)；A：＝A*2； w2 (A)； l 2 (B)被拒绝
多种并发控制机制 • 对数据库元素的访问按适当协议进行封锁，以阻止那些破坏可串行化原则的 操作行为。 • 时间戳排序，其中每一个事务被指定一个唯一的时间戳，协议确保按时间戳的顺序执行任何冲突操作。 • 多版本协议多数据项的多个版本进行维护。 • 有效性确认协议，是在事务中全部操作完成之后，在事务被允许提交之前检查可能的可串行性破坏。 事务系统层次
所有的锁都必须在后面跟有一个对于相同元素的解锁。 （2） 事务的两阶段封锁：封锁必须在解锁之前。更明确地说，在任意一个两阶段封锁事务 Ti 中，任何 sli X 或 xli (X)动作 前不能有 u i (X)动作。 (3) 调度的合法性：一个元素或者可以被一个事务排他地封锁，或者可以被几个事务共享地封锁，但不能二者兼而有之。 更明确地说： (a) 如果 xli (X)出现在调度中，那么对某个 j≠i，后面不能再有 xl j X 或 sl j X ，除非中间插人了 u i (X)。 (b) 如果 sli X 出现在调度中，那么后面不能再有 xl j X ，除非中间插入了 u i (X)。 允许一个事务在同一个数据项上既申请并持有共享锁又申请并持有排他锁，只要它这样做不与其他事务的锁发生冲突。
w2 (B)； l 2 (A)被拒绝
125 50
使用多种锁的封锁系统 共享锁与排他锁
对任何数据项 X，其上或者可以有一个排他锁，或者没有排他锁而有任意数目的共享锁。
用 sli X 来表示“事务 Ti 申请数据项 X 上的一个共享锁” ，而用 xli (X)来表示“事务 Ti 申请数据项 X 上的一个排他锁” 。 继 续用 u i (X)表示 Ti 解锁 X；即它释放自己在 X 上持有的不管什么样的锁。对于事务的封锁一致性和 2PL 条件，以及调度的合法性， 在共享/排他封锁系统中可以分别地重新表述为： （1） 事务的封锁一致性：如果不是持有排他锁就不能写，且如果不持有任何锁就不能读。更明确地说，在任何事务 Ti 中： (a) 读动作 ri X 之前必须有 sli X 或 xli (X)，且中间没有 u i (X)。 (b) 写动作 wi X 之前必须有 xli (X)，且中间没有 u i (X)。