Управление одновременным доступом
Если несколько пользователей одновременно (concurrently) осуществляет доступ (на чтение и запись) к совместно используемой базе данных, то для поддержки согласованного состояния данных требуется синхронизовать доступ. Синхронизация достигается путем применения алгоритмов управления одновременным доступом (concurrency control algorithm), гарантирующих следование критериям корректности, таким как сериализуемость (serializability). Доступ пользователей к данным инкапсулируются в рамках транзакций
[Gray, 1981], которые на нижнем уровне выглядят как последовательности операций чтения и записи данных. Алгоритмы управления одновременным доступом обеспечивают соблюдение свойства изолированности выполнения транзакций, которое заключается в том, что воздействия одной транзакции на базу данных не будут зависеть (т.е. будут изолированы) от других транзакций, пока эта первая транзакция не завершит свое выполнение.
Наиболее популярные алгоритмы управления одновременным доступом основаны на механизме блокировок. В таких схемах всякий раз, когда транзакция пытается получить доступ к какой-либо единице памяти (как правило, странице), на эту единицу накладывается блокировка в одном из режимов – совместном (shared) или монопольном (exclusive). Блокировки накладываются в соответствии с правилами совместимости блокировок, исключающими конфликты чтение-запись, запись-чтение
и запись-запись. Согласно известной теореме, сериализуемость транзакций заведомо гарантируется, если блокировки, относящиеся к одновременно выполняемым транзакциям, удовлетворяют простому правилу: "Ни одна блокировка от имени какой-либо транзакции не должна устанавливаться после снятия хотя бы одной ранее установленной блокировки". Это правило известно под названием двухфазной блокировки [Gray, 1979], поскольку транзакция проходит при этом сначала фазу "роста", когда она устанавливает блокировки, а затем фазу "сжатия", когда блокировки снимаются. В общем случае снятие блокировок до завершения транзакции проблематично.
Поэтому в большинстве алгоритмов управления одновременным доступом применяется более жесткий
подход, когда блокировки не снимаются до конца транзакции.
Для распределенных СУБД возникает проблема распространения свойства сериализуемости и алгоритмов управления одновременным доступом на распределенную среду. В таких системах операции, относящиеся к одной транзакции, могут выполняться на нескольких узлах, где располагаются необходимые данные. В этом случае наибольшую сложность представляет обеспечение сериализуемости. Эта сложность связана с тем, что на разных узлах порядок сериализации одного и того же множества транзакций может оказаться различным. Поэтому выполнение множества распределенных транзакций является сериализуемым тогда и только тогда, когда:
Алгоритмы управления распределенным одновременным доступом поддерживают это свойство, называемое глобальной сериализуемостью (global serializability). В алгоритмах, основанных на блокировках, для этого применяется один из трех методов: централизованное блокирование, блокирование первичных копий и распределенное блокирование.
При централизованном блокировании (centralized locking) для всей распределенной базы данных поддерживается единая таблица блокировок. Эта таблица, располагаемая в одном из узлов, находится под управлением единого менеджера блокировок. Менеджер блокировок отвечает за установку и снятие блокировок от имени транзакций. Поскольку управление всеми блокировками сосредоточено на одном узле, то оно аналогично централизованному управлению одновременным доступом, и глобальная сериализуемость обеспечивается достаточно легко. Соответствующие алгоритмы просты в реализации, но с ними связаны две проблемы. Во-первых, центральный узел может стать узким местом как из-за большого объема обработки данных, так и из-за генерируемого вокруг него интенсивного сетевого трафика.
Во-вторых, надежность такой системы ограничена, поскольку отказ или недоступность центрального узла приводит к выходу из строя всей системы.
Блокирование первичных копий (primary copy locking) – это алгоритм управления одновременным доступом, применяемый для баз данных с репликациями, где копии одних и тех же данных могут храниться в нескольких узлах. Одна из таких копий определяется как первичная копия, и для доступа к любому элементу данных необходимо установить блокировку на его первичную копию. Множество первичных копий элементов данных известно всем узлам распределенной системы, и запросы транзакций на блокирование направляются в узлы, где хранятся первичные копии. Если в распределенной базе данных репликации не используются, то данный алгоритм сводится к алгоритму распределенного блокирования. Алгоритм блокирования первичных копий был предложен для прототипа распределенной версии Ingres.
Алгоритм распределенного (или децентрализованного) блокирования (distributed (decentralized) locking),
предполагает распределение обязанностей по управлению блокировками между всеми узлами системы. Для выполнения транзакции необходимо участие и взаимная координация менеджеров блокировок в нескольких узлах. Блокировки устанавливаются во всех узлах, данные которых участвуют в транзакции. Алгоритмам распределенного блокирования не свойственны издержки механизма централизованного блокирования, связанные с перегруженностью центрального узла. Однако алгоритмы этого типа сложнее, а коммуникационные затраты, необходимые для установки всех требуемых блокировок, выше. Алгоритмы распределенного блокирования применяются в системах System R* и NonStop SQL.
Общий побочный эффект всех алгоритмов управления одновременным доступом посредством блокирования – возможность тупиковых ситуаций (deadlock). Задача обнаружения и преодоления тупиков особенно сложна в распределенных системах. Тем не менее, благодаря относительной простоте и эффективности алгоритмов блокирования, они имеют значительно большую популярность, чем альтернативные алгоритмы, основанные на временных метках (timestamp-based algorithms), а также алгоритмы оптимистического управления одновременным доступом (optimistic concurrency control).Алгоритмы, основанные на временных метках, выполняют конфликтующие операции транзакций в соответствии с временными метками, назначаемыми транзакциям при их поступлении в систему. Алгоритмы оптимистического управления одновременным доступом исходят из предположения о том, что конфликты между транзакциями редки, и доводят транзакцию до конца, а затем производят проверку корректности. Если выясняется, что фиксация данной транзакции повлечет нарушение сериализуемости, то транзакция откатывается и запускается снова.
