Tehingud ja nende kontrollimise mehhanismid

Tehingud

Tehingu all mõistetakse andmete töötlemise järjepidevust, millel on algus ja lõpp.

Tehing on järjestikune lugemise ja kirjutamise teostamine. Tehingu lõpetamine võib toimuda kas muudatuste salvestamise (commit) või tagasivõtmise (rollback) kaudu. Andmebaaside kontekstis on tehing mitmest päringust, mis tõlgendatakse kui ühtset päringut.

Tehingud peavad vastama ACID omadustele.

Aatomaarne. Tehing kas täidetakse täielikult või ei täideta üldse.

Konsistentsus. Tehingu lõpus ei tohi andmetele kehtestatud piirangud (näiteks andmebaasi piirangud) olla rikutud. Konsistentsus tähendab, et süsteem liikuda ühe korrektse oleku juurest teise korrektse olekuni.

Isolatsioon. Paralleelselt toimuvaid tehinguid ei tohi mõjutada, näiteks ei tohi nad muuta andmeid, mida kasutab teine tehing. Paralleelselt toimivate tehingute tulemus peab olema sama, mis siis, kui tehingud toimuksid järjestikku.

Kestvus. Pärast kinnitamist ei tohi muudatused kaduma minna.

Tehingute ajakiri.

Ajakiri salvestab tehingute teostatud muudatused, tagades andmete aatomaarse ja kestva oleku süsteemi talitlushäire korral.

Ajakiri sisaldab andmeid, mis olid enne ja pärast nende muutmist tehingu käigus. Write-ahead log strateegia nõuab, et logisse lisataks eelnevad väärtused enne tehingu algust ja lõpu väärtused pärast selle lõpetamist. Süsteemi äkilise peatamise korral loeb andmebaas logi vastupidises järjekorras ja tühistab tehingute tekitatud muudatused. Kui ajutiselt katkestatud tehing esitatakse, teostab andmebaas selle ja kannab tehingute muutused logisse. Oleku taastamisel jõhkruse hetkel loeb andmebaas logi sirgjooneliselt ning tagastab tehingute tekitatud muudatused. Nii säilib juba kinnitatud tehingute kestvus ja katkestatud tehingu aatomaarne olek.

Lihtne vigaste tehingute korduv teostamine ei ole piisav taastamiseks.

Näide. Kasutaja kontol on 500$ ja kasutaja otsustab need automaadist välja võtta. Teostatakse kaks tehingut. Esimene loeb saldo väärtust ja kui saldos on piisavalt vahendeid, annab see raha kasutajale. Teine vähendab vajaliku summa saldost. Oletame, et süsteemis tekkis tõrge ja esimene operatsioon ei toimunud, kuid teine toimus. Sel juhul ei saa me raha kasutajale uuesti välja anda, ilma et taastaksime süsteemi algsesse seisundisse positiivse saldo saavutamiseks.

Isolatsiooni tasemed.

Lugemine fikseeritud andmetest (Read Committed).

Kleebise probleemi (Dirty Read) puhul võib tehing lugeda teise tehingu vahepealset tulemust.

Näide. Algne saldo on 0$. T1 lisab saldot 50$. T2 loeb saldo väärtusena (50$). T1 tühistab muudatused ja lõpetab. T2 jätkab tegevust, tuginedes valele saldo andmele.

Lahenduseks on lugemine fikseeritud andmetest (Read Committed), mis keelab tehingul lugeda andmeid, mida on muutnud teine tehing. Kui tehing A muutis mingit andmehulg, peab tehing B selle andmehulkade taotlemisel ootama, kuni tehing A on lõpetatud.

Korduv lugemine (Repeatable Read).

Kadunud muutuste probleem (Lost Updates). T1 salvestab muudatused T2 tehtud muudatuste peale.

Näide. Algne saldo on 0$ ja kaks tehingut täiendavad saldot samal ajal. T1 ja T2 loevad saldot, mis on 0$. Siis T2 lisab 200$ 0$-le ja salvestab tulemuse. T1 lisab 100$ 0$-le ja salvestab tulemuse. Lõpptulemus on 100$ asemel 300$.

Korduv lugemise probleem (Unrepeatable Read). Korduv lugemine sama andmete kohta annab erinevaid väärtusi.

Näide. T1 loeb saldo väärtust, mis on 0$. Siis T2 lisab saldot 50$ ja lõpetab. T1 loeb andmed uuesti ja avastab, et need ei ühti varasema tulemusega.

Korduv lugemine (Repeatable Read) tagab, et korduv lugemine toob kaasa sama tulemuse. Ühte andmehulka, mida on lugenud ühe tehingu käigus, ei tohi teise tehingu käigus muuta enne selle lõpetamist. Kui tehing A luges mingit andmehulg, peab tehing B nende andmete taotlemisel ootama tehingu A lõpetamist.

Korrastatud lugemine (Serializable).

Fantoomlugemise probleem (Phantom Reads). Kaks päringut, mis valivad andmeid mingite tingimuste alusel, toovad erinevaid väärtusi.

Näide. T1 küsib kõigi kasutajate arvu, kelle saldo on üle 0$ ja alla 100$. T2 vähendab ühe dollari kasutajalt, kelle saldo on 101$. T1 täidab päringu uuesti.

Järjestatud lugemine (Serializable). Tehingud teostatakse täielikult järjestikustena. Uuendamine ja uute kirje lisamine, mis kuuluvad päringu tingimuste alla, on keelatud. Kui tehing A küsib andmeid kogu tabelist, siis tabel külmutatakse täielikult teiste tehingute jaoks, kuni tehing A on lõpetatud.

Ajastaja (Scheduler)

Määrab järjekorra, milles operatsioonid peavad toimuma paralleelsete tehingute korral

Tagab määratud isolatsioonitaseme. Kui operatsioonide täitmine ei sõltu nende järjekorrast, on need operatsioonid kommutatiivsed (Permutable). Kommutatiivsed on lugemisoperatsioonid ja operatsioonid erinevate andmete üle. Kirjutamis- ja kirjutamisoperatsioonid ei ole kommutatiivsed. Ajastaja ülesanne on vaheldada paralleelselt toimivate tehingute täidetavaid operatsioone, et tulemus oleks ekvivalentne järjestikuse tehingute täitmisega.

Paralleelsete ülesannete kontrollimehhanismid (Concurrency Control)

Optimeeritud põhineb konfliktide tuvastamisel ja lahendamisel, pessimistlik konfliktide vältimisel

Optimeeritud lähenemisel saavad mitmed kasutajad andmete koopiad. Esimene, kes lõpetab redigeerimise, salvestab muudatused, ülejäänud peavad muudatused sulandama. Optimeeritud algoritm laseb konfliktidel tekkida, kuid süsteem peab pärast konflikti taastuma.

Pessimistlikul lähenemisel takistab esimene kasutaja, kes andmed haarab, teistele andmete saamist. Kui konfliktid on haruldased, on mõistlik valida optimeeritud strateegia, kuna see tagab kõrgema paralleelsuse taseme.

Lukustus (Locking)

Kui üks tehing on andmed lukustanud, peavad teised tehingud andmetele juurde pääsemisel ootama lukustuse vabastamist.

Lukku võib rakendada andmebaasile, tabelile, reale või atribuudi. Jagatud lukk (Shared Lock) võib olla rakendatud samadele andmetele mitme tehingu poolt, võimaldades kõigile tehingutele (ka lukustavale) lugemist, keelates muutmise ja monopoolsed haaramised. Monopoolsed haaramised (Exclusive Lock) võivad olla rakendatud ainult ühe tehingu poolt, võimaldades lukustavale tehingule kõiki tegevusi, kuid keelates kõigi teiste tegevused.

Muutumislukustus on olukord, kus tehingud jäävad ooterežiimile, mis kestab lõpmata kaua.

Näide. Esimene tehing ootab teise tehingu haaratud andmete vabastamist, samas kui teine ootab esimese poolt haaratud andmete vabastamist.

Optimeeritud lahendus muutumislukustuste probleemile lubab muutumislukustuste tekkimist, kuid seejärel taastab süsteemi, tagasi pöörates ühe muutuvas lukustuses osaleva tehingu.

Kindla ajavahemiku tagant otsitakse muutumislukustusi. Üks meetod nende tuvastamiseks on ajapõhine, st arvestatakse, et muutumislukustus on aset leidnud, kui tehing kestab liiga kaua. Kui muutumislukustus leitakse, pööratakse üks tehing tagasi, mis võimaldab teistel muutumislukustusprotsessis osalevatel tehingutel lõpule viia. Ohvri valik võib põhineda tehingute maksumusel või nende vanusel (Wait-Die ja Wound-wait skeemid).

Iga tehingule T antakse ajatemple; TS mis sisaldab tehingu käivitamise aega.

Wait-Die.

Kui TS(Ti) < TS(Tj), siis Ti ootab, vastasel juhul Ti pöördub tagasi ja alustab algusest sama ajatemplega.

Kui noorem tehing on haaranud ressursi, ja vanem tehing küsib sama ressursi, siis vanemale tehingule lubatakse oodata. Kui vanem tehing on ressursi haaranud, siis noorem tehing, kes seda ressurssi küsib, pööratakse tagasi.

Wound-wait.

Kui TS(Ti) < TS(Tj), siis Tj pöördub tagasi ja alustab algusest sama ajatemplega, vastasel juhul Ti ootab.

Kui noorem tehing on ressursi haaranud, ning vanem tehing küsib sama ressurssi, siis noorem tehing pööratakse tagasi. Kui vanem tehing on ressursi haaranud, on vanemal tehingul, kes küsib seda ressurssi, lubatud oodata. Ohvri valik vanuse alusel takistab muutumislukustuste teket, kuid pöörab tagasi tehingud, mis ei ole muutumislukustuses. Probleem seisneb selles, et tehingud võivad korduvalt tagasi pöörduda, kuna vanem tehing võib ressursi kaua hoida.

Pessimistlik lahendus muutumislukustuste probleemile ei luba tehingu algust, kui esineb muutumislukustuse tekkimise risk.

Deadlock'i tuvastamiseks luuakse graaf (ootegraaf, wait-for-graph), mille tipud on tehingud ning servirakud on suunatud tehingutest, mis ootavad andmete vabastamist, tehingutele, mis on need andmed juba haaranud. Deadlock'i leiab aset, kui graafil on tsükkel. Oote graafi loomine, eriti jaotatud andmebaasides, on kulukas protsess.

Kaksifaasiline lukustus — deadlock'ide vältimine, haarates kõik tehinguga seotud ressursid tehingu alguses ja vabastades need tehingu lõpus.

Kõik lukustusoperatsioonid peavad eelnevalt olema enne esimest vabastavat operatsiooni. Sellel on kaks faasi — Growing Phase, kus toimub haarangute kogumine, ja Shrinking Phase, kus toimub haarangute vabastamine. Kui ühe ressursi haaramine on võimatu, peab tehing algama uuesti. On võimalik, et tehing ei suuda vajalikke ressursse haarata, näiteks kui mitu tehingut konkureerivad ühe ressursi pärast.

Kaksifaasiline kinnitamine tagab, et kõik andmebaasi koopiad viivad läbi kinnitamise.

Iga andmebaas kannab logisse kirje, et andmed, mida muudetakse, ning vastab koordinaatorile OK (Hääletusfaas). Kui kõik on vastanud OK, saadab koordinaator signaali, mis kohustab kõiki kinnitama. Pärast kinnitamist serverile vastatakse OK, kui mitte ükski ei vasta OK-le, saadab koordinaator kõigile serveritele signaali muudatuste tühistamiseks (Täiendamise faas).

Ajatempli meetod

Vanem tehing tühistatakse, kui ta üritab juurde pääseda andmetele, mida on juba kasutanud noorem tehing.

Iga tehingule määratakse ajatemple, TS mis vastab täitmise alguse ajale. Kui Ti on vanem, Tj, siis TS(Ti) < TS(Tj).

kui tehing tühistatakse, määratakse sellele uus ajatemple. Iga andmeobjekt K mida tehing kasutab, märgistatakse kahe templi. W-TS(Q) — noorima tehingu ajatemple, kes on edukalt teinud kirjutamise K. R-TS(Q) — noorima tehingu ajatemple, kes on teinud lugemise kirjutamise K.

Kui tehing T taotleb andmete lugemist, K on kaks võimalikku varianti.

Kui TS(T) < W-TS(Q), st andmed on uuendatud noorema tehingu poolt, siis tehing T tühistatakse.

Kui TS(T) >= W-TS(Q), siis lugemine toimub ja R-TS(Q) luua MAX(R-TS(Q), TS(T)).

Kui tehing T taotleb andmete muutmist, K on kaks võimalikku varianti.

Kui TS(T) < R-TS(Q), st andmed on juba loetud noorema tehingu poolt ja kui muudatust teostatakse, siis tekib konflikt. Tehing T tühistatakse.

Kui TS(T) < W-TS(Q), st tehing üritab kirjutada uuemat väärtust, tehing T tühistatakse. Ülejäänud juhtudel toimub muudatus ja W-TS(Q) saab võrdseks TS(T).

Oote graafi kallis loomine ei ole vajalik. Vanemad tehingud sõltuvad noorematest, seega ei ole oote graafis tsükleid. Deadlock'e ei esine, kuna tehingud ei oota, vaid tühistatakse kohe. Kaskadised tühistamised on võimalikud. Kui Ti tühistatakse ja Tj luges andmeid, mida ta muutis, Ti, siis Tj peab samuti tühistama. Kui sel juhul Tj oli juba kinnitatud, tekib stabiilsuse põhimõtte rikkumine.

Üks lahendus kaskadiste tühistamiste puhul. Tehing viib kõik kirjutamise operatsioonid ellu lõpus, kusjuures teised tehingud peavad ootama selle operatsiooni lõpetamist. Tehingud ootavad kinnitamist enne lugemist.

Thomas'i kirjutamise reegel — ajatempli meetodi variatsioon, millega on keelatud noorema tehingu poolt uuendatud andmeid vanema tehingu poolt uuesti kirjutada.

Tehing T taotleb andmete muutmist, K. Kui TS(T) < W-TS(Q), st tehing üritab kirjutada uuemat väärtust, tehing T ei tühistata nagu ajatempli meetodis.

Allikas: habr.com