ธุรกรรมและกลไกการควบคุม

การทำธุรกรรม

ธุรกรรมคือลำดับการดำเนินการกับข้อมูลที่มีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด

ธุรกรรมคือการดำเนินการตามลำดับของการอ่านและเขียน การสิ้นสุดธุรกรรมอาจเป็นได้ทั้งการบันทึกการเปลี่ยนแปลง (กระทำ) หรือการยกเลิกการเปลี่ยนแปลง (ย้อนกลับ) ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับฐานข้อมูล ธุรกรรมประกอบด้วยคำขอหลายรายการซึ่งถือเป็นคำขอเดียว

Транзакции должны удовлетворять свойствам ACID

อะตอมมิกซิตี ธุรกรรมเสร็จสมบูรณ์หรือไม่เสร็จสมบูรณ์เลย

ความสม่ำเสมอ เมื่อทำธุรกรรมเสร็จสิ้น จะต้องไม่ละเมิดข้อจำกัดที่กำหนดกับข้อมูล (เช่น ข้อจำกัดในฐานข้อมูล) ความสอดคล้องหมายถึงระบบจะถูกถ่ายโอนจากสถานะที่ถูกต้องหนึ่งไปยังอีกสถานะที่ถูกต้อง

การแยกตัว. ธุรกรรมที่ทำงานแบบขนานไม่ควรมีอิทธิพลซึ่งกันและกัน เช่น การเปลี่ยนแปลงข้อมูลที่ใช้โดยธุรกรรมอื่น ผลลัพธ์ของการดำเนินการธุรกรรมแบบขนานควรเหมือนกับว่าธุรกรรมถูกดำเนินการตามลำดับ

ความยั่งยืน เมื่อมุ่งมั่นแล้ว การเปลี่ยนแปลงไม่ควรสูญหาย

บันทึกการทำธุรกรรม

บันทึกจะจัดเก็บการเปลี่ยนแปลงที่ทำโดยธุรกรรม ช่วยให้มั่นใจถึงความเป็นอะตอมมิกและความเสถียรของข้อมูลในกรณีที่ระบบล้มเหลว

บันทึกประกอบด้วยค่าที่ข้อมูลมีก่อนและหลังการเปลี่ยนแปลงโดยธุรกรรม กลยุทธ์บันทึกการเขียนล่วงหน้าจำเป็นต้องเพิ่มรายการบันทึกเกี่ยวกับค่าก่อนหน้าก่อนที่จะเริ่มต้น และเกี่ยวกับค่าสุดท้ายหลังจากธุรกรรมเสร็จสิ้น ในกรณีที่ระบบหยุดกะทันหัน ฐานข้อมูลจะอ่านบันทึกในลำดับย้อนกลับและยกเลิกการเปลี่ยนแปลงที่ทำโดยธุรกรรม เมื่อพบธุรกรรมที่ถูกขัดจังหวะ ฐานข้อมูลจะดำเนินการและทำการเปลี่ยนแปลงในบันทึก เมื่ออยู่ในสถานะในขณะที่เกิดความล้มเหลว ฐานข้อมูลจะอ่านบันทึกตามลำดับการส่งต่อ และส่งคืนการเปลี่ยนแปลงที่ทำโดยธุรกรรม ด้วยวิธีนี้ เสถียรภาพของธุรกรรมที่ได้กระทำไปแล้ว และความเป็นอะตอมมิกของธุรกรรมที่ถูกขัดจังหวะจะถูกรักษาไว้

การดำเนินการธุรกรรมที่ล้มเหลวอีกครั้งเพียงอย่างเดียวนั้นไม่เพียงพอสำหรับการกู้คืน

ตัวอย่าง. ผู้ใช้มีเงิน $500 ในบัญชี และผู้ใช้ตัดสินใจถอนเงินออกจากตู้ ATM กำลังดำเนินการธุรกรรมสองรายการ อันแรกจะอ่านมูลค่ายอดคงเหลือ และหากมีเงินในยอดคงเหลือเพียงพอ ระบบจะออกเงินให้กับผู้ใช้ ส่วนที่สองลบจำนวนเงินที่ต้องการออกจากยอดคงเหลือ สมมติว่าระบบล้มเหลวและการดำเนินการครั้งแรกล้มเหลว แต่การดำเนินการครั้งที่สองล้มเหลว ในกรณีนี้ เราไม่สามารถออกเงินใหม่ให้กับผู้ใช้ได้โดยไม่ทำให้ระบบกลับสู่สถานะเดิมโดยมียอดคงเหลือเป็นบวก

ระดับฉนวน

อ่านมุ่งมั่น

ปัญหา Dirty Read คือธุรกรรมสามารถอ่านผลลัพธ์ระดับกลางของธุรกรรมอื่นได้

ตัวอย่าง. มูลค่ายอดคงเหลือเริ่มต้นคือ $0 T1 เพิ่ม $50 ให้กับยอดคงเหลือของคุณ T2 อ่านมูลค่ายอดคงเหลือ ($50) T1 ละทิ้งการเปลี่ยนแปลงและออก T2 ดำเนินการต่อไปโดยมีข้อมูลยอดคงเหลือไม่ถูกต้อง

วิธีแก้ไขคือการอ่านข้อมูลคงที่ (Read Commited) ซึ่งห้ามไม่ให้อ่านข้อมูลที่เปลี่ยนแปลงโดยธุรกรรม หากธุรกรรม A เปลี่ยนแปลงชุดข้อมูลบางชุด เมื่อเข้าถึงข้อมูลนี้ ธุรกรรม B จะถูกบังคับให้รอให้ธุรกรรม A เสร็จสมบูรณ์

อ่านซ้ำได้

ปัญหาการอัพเดตที่หายไป T1 บันทึกการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมจากการเปลี่ยนแปลงของ T2

ตัวอย่าง. มูลค่ายอดคงเหลือเริ่มต้นคือ $0 และธุรกรรมสองรายการจะเติมยอดคงเหลือพร้อมกัน T1 และ T2 อ่านยอดคงเหลือเป็น $0 T2 บวก $200 ถึง $0 และบันทึกผลลัพธ์ T1 บวก $100 ถึง $0 และบันทึกผลลัพธ์ ผลลัพธ์สุดท้ายคือ $100 แทนที่จะเป็น $300

ปัญหาการอ่านซ้ำไม่ได้ การอ่านข้อมูลเดียวกันซ้ำๆ จะส่งกลับค่าที่ต่างกัน

ตัวอย่าง. T1 อ่านค่าความสมดุลเป็น $0 T2 จะเพิ่ม $50 ให้กับยอดคงเหลือและสิ้นสุด T1 อ่านข้อมูลอีกครั้งและพบความคลาดเคลื่อนกับผลลัพธ์ก่อนหน้า

การอ่านซ้ำช่วยให้มั่นใจได้ว่าการอ่านครั้งที่สองจะให้ผลลัพธ์เดียวกัน ข้อมูลที่อ่านโดยธุรกรรมหนึ่งไม่สามารถเปลี่ยนแปลงในธุรกรรมอื่นได้จนกว่าธุรกรรมจะเสร็จสมบูรณ์ หากธุรกรรม A ได้อ่านชุดข้อมูลบางชุดแล้ว ธุรกรรม B จะถูกบังคับให้รอให้ธุรกรรม A เสร็จสิ้นเมื่อเข้าถึงข้อมูลนี้

การอ่านแบบเรียงลำดับได้ (แบบอนุกรม)

ปัญหาการอ่าน Phantom แบบสอบถามสองรายการที่เลือกข้อมูลตามเงื่อนไขบางอย่างจะส่งกลับค่าที่ต่างกัน

ตัวอย่าง. T1 ขอจำนวนผู้ใช้ทั้งหมดที่มียอดคงเหลือมากกว่า $0 แต่น้อยกว่า $100 T2 หัก $1 จากผู้ใช้ที่มียอดคงเหลือ $101 T1 ออกคำขอใหม่

การอ่านแบบเรียงลำดับได้ (แบบอนุกรม) ธุรกรรมจะดำเนินการตามลำดับอย่างสมบูรณ์ ห้ามมิให้อัปเดตหรือเพิ่มบันทึกที่อยู่ภายใต้เงื่อนไขของคำขอ หากธุรกรรม A ได้ร้องขอข้อมูลจากทั้งตาราง ตารางทั้งหมดจะถูกแช่แข็งสำหรับธุรกรรมอื่น ๆ จนกว่าธุรกรรม A จะเสร็จสิ้น

ผู้จัดกำหนดการ

ตั้งค่าลำดับที่ควรดำเนินการในระหว่างธุรกรรมแบบขนาน

ให้ระดับการแยกตามที่กำหนด หากผลลัพธ์ของการดำเนินการไม่ขึ้นอยู่กับลำดับ การดำเนินการดังกล่าวเป็นแบบสับเปลี่ยน (Permutable) การดำเนินการอ่านและการดำเนินการกับข้อมูลที่แตกต่างกันเป็นแบบสับเปลี่ยน การดำเนินการอ่าน-เขียนและเขียน-เขียนไม่ใช่การสับเปลี่ยน งานของผู้จัดกำหนดการคือการแทรกการดำเนินการที่ดำเนินการโดยธุรกรรมแบบขนาน เพื่อให้ผลการดำเนินการเทียบเท่ากับการดำเนินการตามลำดับของธุรกรรม

กลไกการควบคุมงานคู่ขนาน (Concurrency Control)

การมองโลกในแง่ดีขึ้นอยู่กับการตรวจจับและแก้ไขความขัดแย้ง การมองโลกในแง่ร้ายขึ้นอยู่กับการป้องกันไม่ให้เกิดความขัดแย้ง

หากมองในแง่ดี ผู้ใช้หลายรายจะมีสำเนาของข้อมูลพร้อมใช้ บุคคลแรกที่แก้ไขให้เสร็จสิ้นจะบันทึกการเปลี่ยนแปลง ในขณะที่คนอื่นๆ จะต้องรวมการเปลี่ยนแปลง อัลกอริธึมในแง่ดีอนุญาตให้เกิดความขัดแย้งได้ แต่ระบบจะต้องกู้คืนจากความขัดแย้ง

ด้วยแนวทางในแง่ร้าย ผู้ใช้คนแรกที่เก็บข้อมูลจะป้องกันไม่ให้ผู้อื่นรับข้อมูล หากความขัดแย้งเกิดขึ้นไม่บ่อยนัก ก็ควรที่จะเลือกกลยุทธ์ในแง่ดี เนื่องจากจะทำให้มีระดับความสอดคล้องที่สูงกว่า

การล็อค

หากธุรกรรมหนึ่งล็อคข้อมูล ธุรกรรมอื่นต้องรอจนกว่าจะปลดล็อคเมื่อเข้าถึงข้อมูล

บล็อกสามารถซ้อนทับบนฐานข้อมูล ตาราง แถว หรือแอตทริบิวต์ได้ Shared Lock สามารถบังคับใช้กับข้อมูลเดียวกันโดยการทำธุรกรรมหลายรายการ อนุญาตให้ธุรกรรมทั้งหมด (รวมถึงธุรกรรมที่บังคับใช้) อ่าน ห้ามมิให้มีการแก้ไข และบันทึกเฉพาะ Exclusive Lock สามารถกำหนดได้โดยธุรกรรมเดียวเท่านั้น อนุญาตการดำเนินการใด ๆ ของธุรกรรมที่กำหนด ห้ามมิให้ผู้อื่นกระทำการใด ๆ

การหยุดชะงักคือสถานการณ์ที่ธุรกรรมสิ้นสุดลงในสถานะรอดำเนินการซึ่งจะคงอยู่โดยไม่มีกำหนด

ตัวอย่าง. ธุรกรรมแรกจะรอให้ข้อมูลที่บันทึกในวินาทีนั้นถูกปล่อยออกมา ในขณะที่รายการที่สองจะรอให้ข้อมูลที่บันทึกในวินาทีแรกถูกปล่อยออกมา

วิธีแก้ปัญหาเชิงบวกสำหรับปัญหาการชะงักงันทำให้การชะงักงันเกิดขึ้น แต่จากนั้นจึงกู้คืนระบบโดยการย้อนกลับหนึ่งในธุรกรรมที่เกี่ยวข้องกับการชะงักงัน

การหยุดชะงักจะถูกค้นหาในช่วงเวลาหนึ่ง วิธีการตรวจหาวิธีหนึ่งคือตามเวลา นั่นคือ พิจารณาว่าเกิดการชะงักงันหากธุรกรรมใช้เวลานานเกินไปในการดำเนินการให้เสร็จสมบูรณ์ เมื่อพบการชะงักงัน ธุรกรรมรายการใดรายการหนึ่งจะถูกย้อนกลับ อนุญาตให้ธุรกรรมอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการชะงักงันเสร็จสมบูรณ์ การเลือกเหยื่ออาจขึ้นอยู่กับมูลค่าของธุรกรรมหรือความอาวุโสของพวกเขา (แผนการรอตายและรอบาดแผล)

ทุกการทำธุรกรรม T มีการกำหนดเวลาประทับ TS มีเวลาเริ่มต้นของการทำธุรกรรม

รอ-ตาย

ถ้า TS(ติ) < TS(ทีเจ)แล้ว Ti รอเป็นอย่างอื่น Ti ย้อนกลับไปและเริ่มใหม่อีกครั้งด้วยการประทับเวลาเดียวกัน

หากธุรกรรมรุ่นเยาว์ได้รับทรัพยากรและธุรกรรมเก่าร้องขอทรัพยากรเดียวกัน ธุรกรรมเก่าจะได้รับอนุญาตให้รอได้ หากธุรกรรมเก่าได้รับทรัพยากร ธุรกรรมที่อายุน้อยกว่าที่ร้องขอทรัพยากรนั้นจะถูกย้อนกลับ

ทำแผลรอ

ถ้า TS(ติ) < TS(ทีเจ)แล้ว Tj ย้อนกลับและเริ่มใหม่อีกครั้งด้วยการประทับเวลาเดียวกัน มิฉะนั้น Ti ซึ่งรอคอย.

หากธุรกรรมที่อายุน้อยกว่าได้รับทรัพยากรและธุรกรรมที่เก่ากว่าร้องขอทรัพยากรเดียวกัน ธุรกรรมที่อายุน้อยกว่าจะถูกย้อนกลับ หากธุรกรรมเก่าได้รับทรัพยากร ธุรกรรมที่อายุน้อยกว่าที่ร้องขอทรัพยากรนั้นจะได้รับอนุญาตให้รอ การเลือกเหยื่อตามลำดับความสำคัญจะป้องกันการชะงักงัน แต่จะย้อนกลับธุรกรรมที่ไม่ถูกชะงัก ปัญหาคือธุรกรรมสามารถย้อนกลับได้หลายครั้งเพราะ... ธุรกรรมเก่าอาจถือทรัพยากรไว้เป็นเวลานาน

วิธีแก้ปัญหาการชะงักงันในแง่ร้ายไม่อนุญาตให้ธุรกรรมเริ่มดำเนินการหากมีความเสี่ยงของการชะงักงัน

ในการตรวจจับการหยุดชะงัก กราฟจะถูกสร้างขึ้น (กราฟรอ กราฟรอ) จุดยอดคือธุรกรรม และขอบจะถูกกำหนดทิศทางจากธุรกรรมที่รอการเปิดเผยข้อมูลไปยังธุรกรรมที่บันทึกข้อมูลนี้ จะถือว่าเกิดการหยุดชะงักหากกราฟมีการวนซ้ำ การสร้างกราฟรอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฐานข้อมูลแบบกระจาย เป็นขั้นตอนที่มีราคาแพง

การล็อคแบบสองเฟส - ป้องกันการหยุดชะงักโดยการยึดทรัพยากรทั้งหมดที่ใช้โดยการทำธุรกรรมเมื่อเริ่มต้นการทำธุรกรรมและปล่อยทรัพยากรเหล่านั้นเมื่อสิ้นสุด

การดำเนินการบล็อคทั้งหมดต้องมาก่อนการปลดล็อคครั้งแรก มี XNUMX ​​ระยะ ได้แก่ ระยะการเจริญเติบโต ซึ่งในระหว่างนั้นอุปกรณ์จับยึดจะสะสม และระยะการหดตัว ซึ่งในระหว่างนั้นอุปกรณ์จับยึดจะถูกปล่อย หากเป็นไปไม่ได้ที่จะจับทรัพยากรอย่างใดอย่างหนึ่ง ธุรกรรมจะเริ่มต้นใหม่ เป็นไปได้ว่าธุรกรรมจะไม่สามารถรับทรัพยากรที่ต้องการได้ ตัวอย่างเช่น หากธุรกรรมหลายรายการแข่งขันกันเพื่อทรัพยากรเดียวกัน

การคอมมิตแบบสองเฟสช่วยให้แน่ใจว่าคอมมิตนั้นถูกดำเนินการบนเรพลิกาฐานข้อมูลทั้งหมด

แต่ละฐานข้อมูลจะป้อนข้อมูลเกี่ยวกับข้อมูลที่จะถูกเปลี่ยนแปลงลงในบันทึกและตอบสนองต่อผู้ประสานงานตกลง (ขั้นตอนการลงคะแนนเสียง) หลังจากที่ทุกคนตอบรับตกลงแล้ว ผู้ประสานงานจะส่งสัญญาณให้ทุกคนปฏิบัติตาม หลังจากคอมมิตแล้ว เซิร์ฟเวอร์จะตอบกลับว่าตกลง หากอย่างน้อยหนึ่งเซิร์ฟเวอร์ไม่ตอบสนองว่าตกลง ผู้ประสานงานจะส่งสัญญาณเพื่อยกเลิกการเปลี่ยนแปลงไปยังเซิร์ฟเวอร์ทั้งหมด (ระยะเสร็จสมบูรณ์)

วิธีการประทับเวลา

ธุรกรรมที่เก่ากว่าจะถูกย้อนกลับเมื่อพยายามเข้าถึงข้อมูลที่เกี่ยวข้องกับธุรกรรมที่อายุน้อยกว่า

แต่ละธุรกรรมจะได้รับการประทับเวลา TS สอดคล้องกับเวลาเริ่มต้นของการดำเนินการ ถ้า Ti ระดับอาวุโส Tjแล้ว TS(ติ) < TS(ทีเจ).

เมื่อธุรกรรมถูกย้อนกลับ จะมีการกำหนดเวลาประทับใหม่ แต่ละวัตถุข้อมูล Q ที่เกี่ยวข้องกับการทำธุรกรรมจะมีป้ายกำกับสองป้าย W-TS(คิว) — การประทับเวลาของธุรกรรมที่อายุน้อยที่สุดที่ทำการบันทึกสำเร็จ Q. R-TS(คิว) — การประทับเวลาของธุรกรรมที่อายุน้อยที่สุดที่ทำการบันทึกการอ่าน Q.

เมื่อทำรายการ T ร้องขอให้อ่านข้อมูล Q เป็นไปได้สองทางเลือก

ถ้า ทีเอส(ท) < W-TS(คิว)นั่นคือข้อมูลได้รับการอัปเดตโดยธุรกรรมที่อายุน้อยกว่า จากนั้นจึงเป็นธุรกรรม T ย้อนกลับ

ถ้า ทีเอส(ท) >= W-TS(คิว)จากนั้นจึงทำการอ่านและ R-TS(คิว) กลายเป็น สูงสุด(R-TS(Q), TS(T)).

เมื่อทำรายการ T ขอเปลี่ยนแปลงข้อมูล Q เป็นไปได้สองทางเลือก

ถ้า ทีเอส(ท) < R-TS(คิว)นั่นคือข้อมูลถูกอ่านโดยธุรกรรมที่อายุน้อยกว่าแล้ว และหากมีการเปลี่ยนแปลง จะเกิดข้อขัดแย้งขึ้น ธุรกรรม T ย้อนกลับ

ถ้า ทีเอส(ท) < W-TS(คิว)นั่นคือธุรกรรมพยายามเขียนทับค่าที่ใหม่กว่า ธุรกรรม T จะถูกย้อนกลับ ในกรณีอื่น ๆ การเปลี่ยนแปลงจะดำเนินการและ W-TS(คิว) จะเท่าเทียมกัน ทีเอส(ท).

ไม่จำเป็นต้องสร้างกราฟรอที่มีราคาแพง ธุรกรรมเก่าขึ้นอยู่กับธุรกรรมใหม่ ดังนั้นจึงไม่มีรอบในกราฟรอ ไม่มีการหยุดชะงักเนื่องจากธุรกรรมไม่ได้รอแต่จะย้อนกลับทันที การย้อนกลับแบบเรียงซ้อนเป็นไปได้ ถ้า Ti กลิ้งออกไปและ Tj ฉันอ่านข้อมูลที่ฉันเปลี่ยนแปลง Tiแล้ว Tj ควรย้อนกลับด้วย หากในขณะเดียวกัน Tj ได้กระทำไปแล้วย่อมเกิดการละเมิดหลักความมั่นคง

หนึ่งในโซลูชั่นของการย้อนกลับแบบเรียงซ้อน ธุรกรรมเสร็จสิ้นการดำเนินการเขียนทั้งหมดในตอนท้าย และธุรกรรมอื่น ๆ ต้องรอให้การดำเนินการนั้นเสร็จสิ้น ธุรกรรมจะรอให้กระทำก่อนจึงจะถูกอ่าน

กฎการเขียนของ Thomas - รูปแบบของวิธีการประทับเวลาซึ่งข้อมูลที่อัปเดตโดยธุรกรรมที่อายุน้อยกว่านั้นถูกห้ามไม่ให้ถูกเขียนทับโดยรายการที่เก่ากว่า

ธุรกรรม T ขอเปลี่ยนแปลงข้อมูล Q. ถ้า ทีเอส(ท) < W-TS(คิว)นั่นคือธุรกรรมพยายามเขียนทับค่าที่ใหม่กว่า ธุรกรรม T จะไม่ถูกย้อนกลับเหมือนในวิธีการประทับเวลา

ที่มา: will.com