Tehingud ja nende kontrollimehhanismid

Tehingud

Tehing on andmete töötlemise järjestikune operatsioonide jada, millel on algus ja lõpp.

Tehing on järjestikune lugemise ja kirjutamise operatsioonide täitmine. Tehingu lõpetamine võib olla kas muudatuste salvestamine (committing) või muudatuste tühistamine (rollback). Andmebaasi kontekstis on tehing mõned päringud, mida käsitletakse kui ühte päringut.

Tehingud peavad vastama ACID omadustele.

Aatomaarus. Tehing täidetakse kas täielikult või mitte üldse.

Kohandatavus. Tehingu lõppedes ei tohi andmetele kehtestatud piirangud (nt andmebaasi constraints) olla rikutud. Kohandatavus tähendab, et süsteem viiakse ühest korrektset olekust teise korrektsetesse.

Isolatsioon. Samal ajal toimivad tehingud ei tohi mõjutada üksteist, näiteks muuta andmeid, mida kasutab teine tehing. Samal ajal toimetavate tehingute tulemus peab olema selline, nagu oleks tehingud toiminud järjestikku.

Kestvus. Pärast kinnitamist ei tohi muudatused kaduda.

Tehingu ajalugu.

Ajaloos säilitatakse tehingute käigus tehtud muudatused, mis tagavad andmete aatomaaruse ja kestvuse süsteemi rikke korral.

Ajalugu sisaldab väärtusi, mida andmed olid enne ja pärast muudatust, mille tehing tegi. Write-ahead log strateegia nõuab, et ajaloosse lisataks kirje varasemate väärtuste kohta enne algust ja lõppväärtuste kohta pärast tehingu lõpetamist. Süsteemi ootamatul seiskamisel loeb andmebaas ajalugu tagurpidi ja tühistab tehingute tehtud muudatused. Kohtumine poolelioleva tehinguga, teostab andmebaas selle ja salvestab muudatused ajaloosse. Seisundis, mis oli seiskamise hetkel, loeb andmebaas ajalugu otse ja taastab tehingute tehtud muudatused. Nii säilitatakse juba kinnitatud tehingute kestvus ja poolelioleva tehingu aatomaarus.

Lihtne vigaste tehingute korduv täitmine ei ole piisav taastumise tagamiseks.

Näide. Kasutaja kontol on 500$ ja ta otsustab need automaadist välja võtta. Teostatakse kaks tehingut. Esimene loeb saldo väärtust ja kui kontol on piisavalt raha, antakse raha kasutajale välja. Teine lahutab vajalikku summat saldopausist. Oletame, et süsteem tõrkus ja esimene operatsioon ei õnnestunud, kuid teine õnnestus. Sel juhul ei saa me pärast süsteemi normaalsesse olekusse viimist kasutajale raha uuesti välja anda, kui saldo pole positiivne.

Isolatsiooni tasemed

Fikseeritud andmete lugemine (Read Committed)

Kuidaseisev lugemise probleem (Dirty Read) seisneb selles, et tehing võib lugeda teise tehingu vahepealseid tulemusi.

Näide. Algne saldo on 0$. T1 lisab saldole 50$. T2 loeb saldo väärtuse (50$). T1 tühistab muudatused ja lõpetab. T2 jätkab vale saldoandmetega, mis on loetud.

Lahendus on fikseeritud andmete lugemine (Read Committed), mis keelab lugeda tehingu poolt muudetud andmeid. Kui tehing A muuda mingit andmevahet, siis tehing B peab ootama tehingu A lõpetamist, et nende andmete juurde pääseda.

Korratav lugemine (Repeatable Read)

Välja kadunud muudatuste probleem (Lost Updates). T1 salvestab muudatuse T2 üle.

Näide. Algne saldo on 0$ ja kaks tehingut üheaegselt lisavad saldo. T1 ja T2 loevad saldo, mis on 0$. Siis T2 lisab 200$ 0$-le ja salvestab tulemuse. T1 lisab 100$ 0$-le ja salvestab tulemuse. Lõpp Tulemus on 100$ asemel 300$.

Korduvate lugemiste probleem (Unrepeatable read). Andmete korduv lugemine toob tagasi erinevad väärtused.

Näide. T1 loeb saldo väärtuse, mis on 0$. Siis T2 lisab saldole 50$ ja lõpetab. T1 loeb andmed uuesti ja leiab, et see ei ühti eelmise tulemusega.

Korratav lugemine (Repeatable Read) tagab, et korduv lugemine annab sama tulemuse. Andmeid, mis on loetud ühe tehingu poolt, ei tohi teised muuta enne tehingu lõpetamist. Kui tehing A loeb mingit andmevahet, peab tehing B ootama tehingu A lõpetamist, et nende andmete juurde pääseda.

Järjekordne lugemine (Serializable)

Fantomi lugemise probleem (Phantom Reads). Kaks päringut, mis valivad andmeid mingi tingimuse järgi, tagastavad erinevad väärtused.

Näide. T1 küsib, kui palju on kõiki kasutajaid, kelle saldo on suurem kui 0$ aga väiksem kui 100$. T2 vähendab kasutaja saldot, kelle saldo on 101$, 1$ võrra. T1 täidab päringu uuesti.

Korrastatud lugemine (Serializable). Tehingud viiakse läbi nagu täiesti järjestikused. Uuendamine ja uute kirje lisamine, mis kuuluvad päringu tingimuste alla, on keelatud. Kui tehing A küsib kogu tabeli andmeid, siis tabel külmutatakse täielikult teiste tehingute jaoks kuni tehing A lõpetamiseni.

Kavandaja (Scheduler)

Seab järjestuse, milles tehingud peavad toimuma paralleelselt toimuvaid tehingute puhul.

Tagab etteantud isolatsioonitaseme. Kui tehingute teostamise tulemus ei sõltu nende järjestusest, on need tegevused kommutatiivsed (Permutable). Kommutatiivsed on lugemisoperatsioonid ja tegevused erinevate andmete üle. Lugemise-kirjutamise ja kirjutamise-kirjutamise operatsioonid ei ole kommutatiivsed. Kavandaja ülesanne on vaheldada paralleelsete tehingute teostatud operatsioone nii, et teostamise tulemus oleks võrreldav järjestikuse teostamisega.

Paralleelselt toimivate ülesannete juhtimise mehhanismid (Concurrency Control)

Optimistlik põhineb konfliktide tuvastamisel ja lahendamisel, pessimistlik aga konfliktide vältimisel.

Optimistliku lähenemise korral saavad mitmed kasutajad andmete koopiad. Esimene, kes lõpetab redigeerimise, salvestab muudatused, teised peavad sulandama muudatused. Optimistlik algoritm võimaldab konfliktide tekkimist, kuid süsteem peab pärast konflikti taastuma.

Pessimistliku lähenemise korral takistab esimesena andmeid saanud kasutaja teistele andmete saamise. Kui konfliktid on harvad, on mõistlik valida optimistlik strateegia, kuna see tagab kõrgema paralleelsuse taseme.

Lukustamine (Locking)

Kui üks tehing on andmeid lukustanud, peavad kõik teised tehingud andmetele juurdepääsu saamisel ootama lukustuse vabastamist.

Blokk võib kanda andmebaasil, tabelil, real või atribuudi peal. Jagatud lukustus (Shared Lock) võib kehtida samaaegselt mitmest tehingust samadele andmetele, võimaldades kõigil tehingutel (sealhulgas lukustuse seadnud) lugeda, kuid keelates muutmise ja monopolise kogu. Monopol lukustus (Exclusive Lock) võib kehtida ainult ühele tehingule, lubades sellel tehingul teha kõiki toiminguid, kuid keelates asjaomastele teistele.

Sünnikovaks nimetatakse olukorda, kus tehingud jäävad lõputuks ooterežiimiks.

Näide. Esimene tehing ootab, kuni teine vabastab kinni peetud andmed, samas kui teine ootab, kuni esimene vabastab oma kinni peetud andmed.

Optimistlik lahendus ummikseisu probleemile võimaldab ummikseisu tekkimist, kuid seejärel taastab süsteemi, tagastades ühe ummikseisus osaleva tehingu.

Teatud ajavahemike järel otsitakse ummikseisu. Üks tuvastamise meetod on aja põhjal — see tähendab, et arvatakse, et ummikseis on juhtunud, kui tehing kestab liiga kaua. Kui ummikseis on leitud, siis tagastatakse üks tehingud, mis võimaldab teistel ummikseisus osalejatel lõpetada. Ohvri valik võib põhineda tehingute maksumusel või nende vanusel (Wait-Die ja Wound-wait skeemid).

Iga tehing T saa ajamärgi TS mis sisaldab tehingu käivitamise aega.

Wait-Die.

Kui TS(Ti) < TS(Tj), siis Ti ootab, muidu Ti tagastatakse ja algab uuesti sama ajamärgiga.

Kui noorem tehing on kinni hoidnud ressursi ja vanem taotleb sama ressurssi, siis on vanemale tehingule lubatud oodata. Kui vanem tehing on kinni hoidnud ressursi, siis tagastatakse noorem tehing, mis taotleb seda ressurssi.

Wound-wait.

Kui TS(Ti) < TS(Tj), siis Tj tagastatakse ja algab uuesti sama ajamärgiga, muidu Ti ootab.

Kui noorem tehing on ressurssi haaranud ja vanem tehing nõuab sama ressurssi, siis noorem tehing katkestatakse. Kui vanem tehing on ressurssi haaranud, on nooremale tehingule, mis seda ressurssi nõuab, lubatud oodata. Ohvri valik, mis põhineb vanusel, takistab ummikseisude tekkimist, kuid katkestab tehingud, mis ei ole ummikseisus. Probleem seisneb selles, et tehingud võivad korduvalt katkestada, kuna vanem tehing võib ressursse pikalt hoida.

Pessimistik lähenemine ummikseisude probleemile ei luba tehingu täitmist, kui on oht ummikseisu tekkimiseks.

Ummikseisu tuvastamiseks ehitatakse graaf (oote-graaf, wait-for-graph), mille tipud on tehingud ning servad on suunatud tehingutelt, mis ootavad andmete vabastamist, tehingutele, mis on need andmed haaranud. Uurimise korral peetakse ummikseisu toimunuks, kui graaf on tsükliline. Oote-graafi koostamine, eriti jaotatud andmebaasides, on kulukas protseduur.

Kahefääriline lukustamine — ummikseisude vältimine, haarates kõik tehingu jaoks vajalikud ressursid tehingu alguses ja vabastades need lõpuks.

Kõik lukustavad toimingud peavad eelnema esimesele vabastavale toimingule. Sellel on kaks faasi — kasvufaas, mille käigus toimub haaramine, ja kahanev faas, mille käigus toimub vabastamine. Kui ressursi haaramine ei õnnestu, algab tehing uuesti. On võimalik olukord, kus tehing ei suuda vajalikke ressursse haarata, näiteks kui mitu tehingut konkureerivad samade ressursside üle.

Kahefääriline kinnitamine tagab kinnitamise kõigis andmebaasi koopiates.

Iga andmebaas kannab oma logisse andmed, mida muudetakse, ja vastab koordinaatorile OK (Hääletusfaas). Pärast seda, kui kõik on vastanud OK, saadab koordinaator signaali, mis kohustab kõiki kinnitama. Pärast kinnitamist serverilt vastatakse OK, kui vähemalt üks ei vastanud OK, saadab koordinaator signaali muudatuste tühistamiseks kõigile serveritele (Lõpetamise faas).

Ajatempli meetod

Vanem tehing katkestatakse, kui ta püüab pääseda juurde andmetele, mis on seotud noorema tehinguga.

Iga tehingu puhul määratakse ajatemperatuur TS vastavalt teostamise algusajale. Kui Ti vanem Tj, siis TS(Ti) < TS(Tj).

Kui tehing tühistatakse, määratakse sellele uus ajatemperatuur. Iga andmeobjekt Q mille tehing kaasas, märgitaan kahe ajatemperatuuriga. W-TS(Q) — kõige noorema tehingu ajatemperatuur, mis on edukalt teinud kirje Q. R-TS(Q) — kõige noorema tehingu ajatemperatuur, mis on teinud lugemiskirje Q.

Kui tehing T taotleb andmete lugemist Q on kaks võimalust.

Kui TS(T) < W-TS(Q), see tähendab, et andmeid on värskendanud noorem tehing, siis tehing T tühistatakse.

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

Kui tehing T taotleb andmete muutmist Q on kaks võimalust.

Kui TS(T) < R-TS(Q), see tähendab, et andmeid on juba lugenud noorem tehing ja kui muudatus teostatakse, siis tekib konflikt. Tehing T tühistatakse.

Kui TS(T) < W-TS(Q), see tähendab, et tehing proovib kirjutada uuemat väärtust, tehing T tühistatakse. Muudel juhtudel toimub muudatus ja W-TS(Q) muutub võrdses TS(T).

Kulukas oote graafiku koostamine pole vajalik. Vanemad tehingud sõltuvad noorematest, seega ei esine ootegraafikus tsükleid. Ei ole ummistusi, kuna tehingud ei oota, vaid tühistatakse kohe. Kaskaditühistamised on võimalikud. Kui Ti tühistati ja Tj luges andmeid, mille ta muutis Ti, siis Tj peab samuti tühistama. Kui sel hetkel Tj oli juba kinnitatud, siis tekib vastuolu järjepidevuse printsiibiga.

Üks lahendus kaskaditühistamistele. Tehing viib kõik kirjutamistegevused lõpule, samal ajal kui teised tehingud peavad ootama selle tegevuse täitmist. Tehingud ootavad kinnitamist enne lugemist.

Thomas'i kirjutamise reegel — variatsioon ajatemperatuuri meetodist, mille kohaselt on andmete, mida on värskendanud noorem tehing, kirjutamine vanema tehingu poolt keelatud.

Tehing T taotleb andmete muutmist Q. Kui TS(T) < W-TS(Q), see tähendab, et tehing proovib kirjutada uuemat väärtust, tehing T ei tühistata nagu ajatemperatuuri meetodis.

Allikas: habr.com