06 事务、并发控制与数据库恢复

这一章对应选择填空、简答、检查点恢复大题、封锁协议大题。

一、事务与 ACID

事务是用户定义的一个数据库操作序列，是 DBMS 的基本工作单位。事务要么全部成功，要么全部失败。

ACID：

原子性 Atomicity：事务中所有操作要么都做，要么都不做。
一致性 Consistency：事务使数据库从一个一致状态转变到另一个一致状态。
隔离性 Isolation：并发事务之间相互隔离，不应互相干扰。
持久性 Durability：事务一旦提交，对数据库的改变就是永久的。

实现子系统：

原子性、持久性主要由恢复子系统保证。
隔离性主要由并发控制子系统保证。
一致性由完整性约束、并发控制和恢复共同保证。

二、并发操作异常

不加控制的并发可能产生：

丢失修改：两个事务都修改同一数据，后写覆盖前写。
读脏数据：一个事务读取了另一个事务未提交且后来回滚的数据。
不可重复读：同一事务两次读同一数据，中间被其他事务修改并提交，结果不同。
幻读：同一事务按条件两次查询，第二次出现了其他事务新插入的满足条件的行。

“脏数据”严格说是未提交后又被撤销的数据。

三、锁

基本封锁类型：

S 锁，共享锁，读锁。事务对数据加 S 锁后，可以读，不能写；其他事务可再加 S 锁，不能加 X 锁。
X 锁，排他锁，写锁。事务对数据加 X 锁后，可以读写；其他事务不能再加 S 锁或 X 锁。

兼容矩阵：

        已有 S   已有 X
请求 S   兼容    不兼容
请求 X   不兼容  不兼容

如果事务 T 获得数据项 Q 上的 X 锁，则 T 对 Q 既可读又可写；其他事务既不能读也不能写。

四、封锁协议

一级封锁协议：

修改数据前必须加 X 锁，事务结束释放。
可防止丢失修改。

二级封锁协议：

在一级基础上，读数据前必须加 S 锁，读完即可释放。
可防止读脏数据。

三级封锁协议：

在一级基础上，读数据前必须加 S 锁，并保持到事务结束。
可防止不可重复读。

两阶段封锁协议 2PL：

加锁阶段：可以申请锁，不能释放锁。
解锁阶段：一旦释放任何锁，就不能再申请新锁。

结论：

遵守两阶段封锁协议可保证冲突可串行化。
两阶段封锁协议不能保证不死锁，反而可能死锁。

五、两阶段封锁例题

题目：

T1:
read(A);
read(B);
if A = 0 then B := B + 1;
write(B);

T2:
read(B);
read(A);
if B = 0 then A := A + 1;
write(A);

一种满足 2PL 的写法：

T1:
SLock(A);
XLock(B);
read(A);
read(B);
if A = 0 then B := B + 1;
write(B);
Unlock(A);
Unlock(B);

T2:
SLock(B);
XLock(A);
read(B);
read(A);
if B = 0 then A := A + 1;
write(A);
Unlock(B);
Unlock(A);

是否可能死锁：可能。若 T1 持有 A 的 S 锁等待 B 的 X 锁，T2 持有 B 的 S 锁等待 A 的 X 锁，则互相等待。

避免死锁的常用方法：

一次封锁法：事务开始前一次申请所有锁。
顺序封锁法：所有事务按统一顺序申请锁。
死锁检测与解除：构造等待图，发现环后撤销某事务。
超时法：等待超过阈值就回滚。

避免活锁：先来先服务。

六、数据库故障类型

常见四类故障：

事务故障：事务内部错误、违反约束、死锁被撤销等。
系统故障：断电、操作系统崩溃，内存丢失，外存数据库未物理损坏。
介质故障：磁盘损坏，外存数据部分或全部丢失。
计算机病毒或人为破坏等。

突然停电通常归为系统故障，不是介质故障。

七、恢复的基本原理

恢复的核心是冗余。最常用冗余技术：

数据转储：制作数据库后援副本。
登记日志文件：记录事务对数据库的更新。

转储类型：

静态转储：转储期间不允许事务运行。
动态转储：转储期间允许事务运行，必须配合日志。
海量转储：每次转储全部数据库。
增量转储：只转储上次转储后变化的数据。

日志记录通常包括：

事务开始记录。
更新记录：事务标识、数据项、旧值、新值。
提交记录。
回滚记录。

日志原则：先写日志，再写数据库。即 WAL。

八、UNDO 与 REDO

UNDO：撤销未提交事务的影响，用旧值恢复。

REDO：重做已提交事务的影响，用新值重做。

判断规则：

故障时未提交的事务：UNDO。
故障前已经提交但其结果可能尚未写入数据库的事务：REDO。
检查点前已提交且已写入稳定数据库的事务：通常不用 REDO。

系统故障恢复通常：

UNDO 未完成事务。
REDO 已提交但可能未落盘事务。

介质故障恢复：

装入最近的后援副本。
利用日志 REDO 自副本以来已提交事务。

九、检查点恢复

检查点的作用：减少恢复时需要扫描的日志范围。

检查点记录通常包含：

检查点时刻正在执行的事务列表 ACTIVE-LIST。
这些事务最近日志记录地址等信息。

基于检查点恢复的一般算法：

从最后一个检查点开始。
把检查点时正在运行的事务放入 UNDO-LIST 或活动集合。
向后扫描日志到故障点：
- 遇到 START T：把 T 加入 UNDO-LIST。
- 遇到 COMMIT T：把 T 从 UNDO-LIST 移出，加入 REDO-LIST。
扫描结束后：
- UNDO-LIST 中的是故障时未提交事务，要 UNDO。
- REDO-LIST 中的是故障前已提交事务，要 REDO。

考试图形判断：

时间轴：  检查点 CP ---------------- 故障 CRASH

T1: ----commit---- before CP             不处理
T2: ----start---- CP ----commit----      REDO
T3: ----start---- CP --------crash       UNDO
T4:             CP ----start--commit     REDO
T5:             CP ----start----crash    UNDO

一句话：

故障时没结束：UNDO。
故障前已提交且可能受检查点影响：REDO。
检查点前已提交：一般不用管。

十、检查点题答题模板

1. 先找检查点时正在运行的事务，写 ACTIVE-LIST = {...}。
2. 从检查点向故障点扫描：
   遇到开始但未提交，加入 UNDO-LIST；
   遇到提交，移出 UNDO-LIST，加入 REDO-LIST。
3. 故障点处仍未提交的事务执行 UNDO。
4. 故障点前已经提交但在检查点之后相关的事务执行 REDO。

如果图上事务线看不清，也要把规则写清楚，再根据可辨认编号填集合。

十一、COMMIT 与 ROLLBACK

COMMIT：提交事务，使事务对数据库的更新永久生效。

ROLLBACK：回滚事务，撤销事务已经做过但未提交的更新。

SQL Server 事务模板：

BEGIN TRANSACTION;

UPDATE Account SET Balance = Balance - 300 WHERE Ano = 'A';
IF @@ERROR <> 0
BEGIN
    ROLLBACK TRANSACTION;
    RETURN;
END;

UPDATE Account SET Balance = Balance + 300 WHERE Ano = 'B';
IF @@ERROR <> 0
BEGIN
    ROLLBACK TRANSACTION;
    RETURN;
END;

COMMIT TRANSACTION;

十二、并发控制与恢复的关系

并发控制保证事务隔离执行，防止并发造成不一致；恢复保证故障后数据库回到一致状态。两者都服务于事务正确性。并发控制处理“同时运行”的冲突，恢复处理“失败之后”的修复。