Методы сериализации транзакций

Существуют два базовых подхода к сериализации транзакций:

• основанный на синхронизационных захватах объектов базы данных;
• основанный на использовании временных меток.

Суть обоих подходов состоит в обнаружении конфликтов транзакций и их устранении. Ниже мы рассмотрим эти подходы сравнительно подробно.

Предварительно заметим, что для каждого из подходов имеются две разновидности - пессимистическая и оптимистическая. При применении пессимистических методов, ориентированных на ситуации, когда конфликты возникают часто, конфликты распознаются и разрешаются немедленно при их возникновении. Оптимистические методы основываются на том, что результаты всех операций модификации базы данных сохраняются в рабочей памяти транзакций. Реальная модификация базы данных производится только на стадии фиксации транзакции. Тогда же проверяется, не возникают ли конфликты с другими транзакциями.

Далее мы ограничимся рассмотрением более распространенных пессимистических разновидностей методов сериализации транзакций. Пессимистические методы сравнительно просто трансформируются в свои оптимистические варианты.

Синхронизационные захваты

В многопользовательских централизованных системах в частности в системах с архитектурой клиент-сервер очень распространено использование двухфазного протокола синхронизационных захватов объектов БД. В соответствии с этим протоколом объект БД автоматически захватывается транзакцией в соответствующем режиме (в зависимости от вида операции) при первом обращении, и все захваты данной транзакции освобождаются только при завершении транзакции (независимо от ее результата). В случае возникновения конфликта по синхронизации транзакция блокируется, пока объект не будет освобожден. Следование этому протоколу может привести к возникновению синхронизационного тупика между двумя или более транзакциями. Задача СУБД - распознать появление тупика и разрушить его путем отката одной или нескольких транзакций.
Распознавание тупиков сводится к обнаружению циклов в графе ожидания транзакций, что является трудоемкой задачей даже в централизованных СУБД. В распределенных системах решение этой задачи может потребовать неприемлемых накладных расходов (хотя поиски алгоритмов с допустимыми затратами продолжаются).
Поэтому более часто в распределенных системах применяются протоколы синхронизации, основанные на временных метках. Это направление очень широко, имеются разные варианты и даже комбинации с протоколом двухфазных захватов, но основной проблемой реализации является отсутствие в распределенной системе единого времени. В истинно распределенной СУБД транзакции утрачивают линейную структуру. Распределенная транзакция в общем случае представляет собой дерево, промежуточными узлами которого являются распределенные подтранзакции, а листья соответствуют обычным линейным транзакциям локальных СУБД.
Основной проблемой управления транзакциями в этом случае является корректное завершение (фиксация) распределенной транзакции. Классическим решением является использование протокола двухфазной фиксации. Однако прямое использование этого протокола порождает значительное число служебных сообщений между составляющими распределенную систему локальными СУБД. Большое число исследований посвящено поискам более экономичных протоколов.

Основными режимами синхронизационных захватов являются:

• совместный режим - S (Shared), означающий разделяемый захват объекта и требуемый для выполнения операции чтения объекта;
• монопольный режим - X (eXclusive), означающий монопольный захват объекта и требуемый для выполнения операций занесения, удаления и модификации.

Захваты объектов несколькими транзакциями по чтению совместимы, т.е. нескольким транзакциям допускается читать один и тот же объект, захват объекта одной транзакцией по чтению не совместим с захватом другой транзакцией того же объекта по записи, и захваты одного объекта разными транзакциями по записи не совместимы. Правила совместимости захватов одного объекта разными транзакциями изображены на следующей таблице:

В первом столбце приведены возможные состояния объекта с точки зрения синхронизационных захватов. Транзакция, запросившая синхронизационный захват объекта БД, уже захваченный другой транзакцией в несовместимом режиме, блокируется до тех пор, пока захват с этого объекта не будет снят.

Заметим, что слово "нет" в таблице соответствует описанным ранее возможным случаям конфликтов транзакций по доступу к объектам базы данных (WW, RW, WR). Совместимость S-захватов соответствует тому, что конфликт R-R не существует.

Для обеспечения сериализации транзакций (третьего уровня изолированности) синхронизационные захваты объектов, произведенные по инициативе транзакции, можно снимать только при ее завершении. Это требование порождает двухфазный протокол синхронизационных захватов - 2PL. В соответствии с этим протоколом выполнение транзакции разбивается на две фазы:

• первая фаза транзакции - накопление захватов;
• вторая фаза (фиксация или откат) - освобождение захватов.

Достаточно легко убедиться, что при соблюдении двухфазного протокола синхронизационных захватов действительно обеспечивается сериализация транзакций на третьем уровне изолированности. Основная проблема состоит в том, что следует считать объектом для синхронизационного захвата?

В контексте реляционных баз данных возможны следующие альтернативы:

• файл - физический (с точки зрения базы данных) объект, область хранения нескольких отношений и, возможно, индексов;
• отношение - логический объект, соответствующий множеству кортежей данного отношения;
• страница данных - физический объект, хранящий кортежи одного или нескольких отношений, индексную или служебную информацию;
• кортеж - элементарный физический объект базы данных.

На самом деле, когда мы говорим про операции над объектами базы данных, то любая операция над кортежем, фактически, является и операцией над страницей, в которой этот кортеж хранится, и над соответствующим отношением, и над файлом, содержащем отношение. Поэтому действительно имеется выбор уровня объекта захвата.

Понятно, что чем крупнее объект синхронизационного захвата (неважно, какой природы этот объект - логический или физический), тем меньше синхронизационных захватов будет поддерживаться в системе, и на это, соответственно, будут тратиться меньшие накладные расходы. Более того, если выбрать в качестве уровня объектов для захватов файл или отношение, то будет решена даже проблема фантомов (если это не ясно сразу, посмотрите еще раз на формулировку проблемы фантомов и определение двухфазного протокола захватов).

Но вся беда в том, что при использовании для захватов крупных объектов возрастает вероятность конфликтов транзакций и тем самым уменьшается допускаемая степень их параллельного выполнения. Фактически, при укрупнении объекта синхронизационного захвата мы умышленно огрубляем ситуацию и видим конфликты в тех ситуациях, когда на самом деле конфликтов нет.

Разработчики многих систем начинали с использования страничных захватов, полагая это некоторым компромиссом между стремлениями сократить накладные расходы и сохранить достаточно высокий уровень параллельности транзакций. Но это не очень хороший выбор. В большинстве современных систем используются покортежные синхронизационные захваты.