2.5 原子事务处理

当前如何在线更新数据库的银行应用的例子。 客户通过带有调制解调器的PC机连接到银行，想将 一个帐户下的钱取出再存入另一帐户。操作通过下面 两步执行：

提取（金额，帐户1）。 存入（金额，帐户2）。


如果电话连接在第一步之后第二步之前中断，那么第 一个帐户已被取出而第二个帐户却没有存入。钱就消 失在了未知的空间中。 将这两个操作组成一个原子事务可以解决这个问题。 要么两个都执行，要么一个也不执行。 关键是事务执行失败后能返回到最初状态。这种能力 是原子事务必须提供的。
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2.5.1原子事务简介（续）

计算机系统中对事务的使用可以回溯到20世纪60年代。

这种设计的最大优点：对任何原因引起的运行错误， 所有的磁带都可以倒卷(rewound)，其工作可以毫无 损失的重新开始。老式的磁带系统具有了原子事务要 么全有要么全无的特性。
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2.5.1原子事务简介（续）

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一、私有工作空间（续）


第二个优化方法大大减少了拷贝工作。 该方法并不是将全部文件都拷入私有工空间， 而只将其索引拷入。
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一、私有工作空间（续）


通过私有索引，文件可以按 通常的方式读取。 因为索引中包含有文件开始 几个块的磁盘地址。
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一、私有工作空间（续）



当一个文件块第一次被修改时， 将会生成该块的拷贝，其地址也 将被插入索引中，然后就可以在 不影响原始块的情况下更新这个 块。 添加块也是用这个方法解决的。 新块有时也称作影象块(shadow block)。 如图所示，运行事务的进程看到 了被修改的文件，但是其它进程 看到的仍是原来的文件。
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四、嵌套事务（续）

由于事务可以嵌套任意多层，因此需要管理措 施以使其一切正常。但语义却是清楚的。




当任何事务或子事务开始的时候，在概念上给予它 一个整个系统全部对象的私有拷贝，可以按照其意 愿进行操作。 如果事务被终止，那么它的私有空间就会消失，就 象事务从来都没有存在过一样。 如果事务提交了，那么它的私有空间就会取代父辈 的空间。 因此如果一个子事务提交后又开始了一个新的子事 务，那么它就可以看到第一个子事务的结果了。
假设某个事务要在一个10字节的文件末尾 添加数据。


如果在事务处理过程中其它进程读取了这个文 件，那么无论该事务已添加了多少内容，那些 进程看到的只能是10个字节。 如果事务成功结束，这时文件在结束的瞬时增 长到了新的大小，无论有多少个操作存在，都 不会有中间状态。
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一致性

第二个特性说明事务是一致的，这意味着如果 系统拥有某种必须经常保持的不变性，那么一 旦在事务开始之前保持有这样的性质，则事务 结束后该性质就还应该存在。
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独立性—例

下面三个事务被三个独立的进程同时执行。

如果它们顺序执行，那么X的最终结果应该是 1，2或3，取决于哪一个事务最后运行（X可 以是一个共享变量，一个文件或其他对象）。
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独立性—例

在d中我们看到了称之为调度表的不同次序，其中事务 可以是交错的。



调度1是真正串行的，即事务严格按顺序来运行，因此 它满足连续性的定义。 调度2不是串行的，但是它也是合法的，因为它返回的X 值与严格串行返回的值一致。 第三个调度是非法的，因为它将X的值置成了5，这是顺 序执行所不可能产生的。

先写写前日志再修改！
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二、写前日志—例子


例如在一个银行系统中，最关键的不变性是资金守 恒规则。 在任何内部转帐之后，银行的资金帐目应与转帐前 保持一致，但是在事务执行的短暂时刻内，这种不 变性会受到损害。然而事务结束之后，这种损害就 没有了。
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独立性


第三个特性说明事务是独立的或连续的。 这意味着如果两个或两个以上的事务在同时运 行，那么对它们自己和其它进程来说，最终结 果看起来就象是所有的事务是按某种次序（依 赖于系统）顺序运行的。

BEGIN_TRANSACTION：标记一个事务的开始。 END_ TRANSACTION：结束事务并设法提交。 ABORT_ TRANSACTION：取消事务；恢复旧值。 READ：从一个文件（或其它对象）读取数据。 WRITE：将数据写入一个文件（或其它对象）。
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二、事务原语（续）

存储器有三种分类。



RAM存储器，当电源出错或机器崩溃时会丢失 信息。 磁盘存储器，它不受CPU错的影响，但磁头错 会导致信息丢失。 稳定存储器(stable storage)。它不受洪水地震 之类大灾难之外的任何其它错误的影响。
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稳定存储器的实现

稳定存储器可以通过两个 普通磁盘来实现。

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2.5.3实现

经常使用的有两种方法：

私有工作空间 写前日志
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一、私有工作空间

在进程开始一个事务的时刻给它分配一个私有 工空间。


分配一个包含了所有需要访问的文件（和其它对象） 的私有工作空间。 在事务提交或终止前所有的读写操作都是在私有工 空间而不是在通常所说的真正的文件系统中进行的。 把所有内容都拷贝到一个私有工空间，其代价是难 以承受的，但存在一些优化使得该方法更可行些。
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二、事务原语-例子（续）

现在假设前两条路线已经预定成功，但是第三 条已经定满了。那么事务就会因此而中止，前 两个预定的结果也将被取消——售票系统的数 据库恢复到了事务开始前的状态，就像什么也 没有发生一样。
BEGIN_TRANSACTION reserve 保定-石家庄 reserve 石家庄-广州 广州-汕头 full →ABORT _ TRANSACTION END_TRANSACTION
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2.5.2事务模型

事务模型的前提假设：


假设系统由一些相互独立的进程组成，每个 进程都会随机出错。 假定通信错误已经被底层软件透明地处理

尽管通信一般来说是不太可靠的，消息会丢失， 但是底层可以采用超时重发协议恢复丢失的消息。
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事务模型 稳定存储 器
事务原语
事务特性
嵌套事务
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一、稳定存储器
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二、事务原语-例子

考虑到保定火车站买一张从保定到汕头的火车。 由于没有直达火车，只能买联票。保定石家 庄；石家庄广州；广州汕头。下面通过3个 操作预定了这3条独立的路线的座票。
BEGIN_TRANSACTION reserve 保定-石家庄 reserve 石家庄-广州 reserve 广州-汕头 END_TRANSACTION
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二、写前日志

另一个实现事务的常用方法是写前日志 (Writehead log)。有时也称为计划列表、意向 表 (intentions list)。


使用这种方法时，文件会真正被修改。但是在改动 任何块之前，将一条记录写入稳定存储器的写前日 志中，以判断是哪一个事务在进行修改操作，哪一 个文件的哪一块被改动了，旧值与新值分别是什么。 只有当日志被成功的写入之后才可以进行文件的修 改。
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一、私有工作空间（续）



在一个更复杂的事务中，私有工 空间可能包含了大量的文件而不 仅仅是一个。 如果事务异常终止，那么私有工 空间就会被删除，它所指向的所 有私有块也将被释放回自由列表 中。 如果事务成功结束，那么私有索 引将会被自动移到父辈的工作区 中，如图所示。不需要的块将它 放回自由列表中。

如图所示，驱动器2上的每 一块是驱动器1上相应块的 精确拷贝。 当更新一个块时，首先更新 并检查驱动器1上的块，然 后驱动器2上的块。
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一、稳定存储器（续）

稳定存储器的价值： 它很适合于需要高度容错的应用，例如原子事 务。
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二、事务原语

使用事务编程需要由操作系统提供或者由语言 运行系统提供特殊原语，例如：
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独立性（续）

ห้องสมุดไป่ตู้
为保证独立的操作正确交替执行是系统的责任。 通过给予系统按照自己需要选择操作执行顺序 的自由——假设它得到的答案是正确的——我 们消除了程序员自己进行互斥处理的需要，因 此简化了编程。
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持久性

第四个特性说明事务是持久的。

这是指这样一个事实，即一旦一个事务提交， 无论发生什么，这个事务都会向前进行，结 果不会再变了。提交之后发生的任何错误都 不可能使结果取消或丢失。
分布式操作系统
2.5 原子事务处理
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2.5 原子事务处理



迄今为止研究的所有同步技术在其本质上来说 都是处于底层的，比如信号量。这些技术需要 程序员密切注意互斥、临界区管理、死锁预防、 崩溃恢复等问题的细节。 需要的是更高层次的抽象，也就是隐藏技术问 题，允许程序员将精力集中在算法和进程如何 并行运行上。 这样的抽象是存在的，而且被广泛应用在分布 式系统中。我们称其为原子事务，或简称为事 务。术语原子操作也被广泛使用。

这几个属性通常按其首字母简称为ACID。
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原子性


所有事务具有的第一个特性是原子性。 这个特性确保了每个事务要么全部发生，要么 全部不发生。 如果发生，就是不可分割的，瞬间的操作。 当一个事务处在处理过程中时，其它进程（无 论是否与事务有关）都不能看到任何中间状态。
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原子性—例


更精确的原语列表取决于事务中正在使用的对 象类型。


在一个邮件系统中，可能有发送、接收以及转发邮 件等原语。 而在一个帐目系统中可能会有很大的不同。