数据库并发控制实现原理

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

概述

并发控制是关系数据库管理系统中很重要的一个组成部分，其作用是确保多个用户在并发环境下对同一个数据的操作不会引起数据不一致的问题。为了确保数据的正确性、完整性和一致性，并发控制机制可以提供事务隔离性、事务持久性、回滚恢复能力等保证。本文将从并发控制的基本概念出发，通过引入事务和锁等概念，来详细剖析数据库并发控制的实现原理，结合实际案例进行进一步阐述。

知识准备

阅读本文前，需要对以下知识点有一定的了解:

事务（Transaction）
并发（Concurrency）
锁（Lock）
两阶段提交协议（Two-Phase Commit Protocol）
可串行化调度（Serializable Scheduling）

2. 并发控制概念

并发控制就是用来解决数据库操作冲突问题的一套方案，包括读写冲突、事务内修改冲突和跨越事务边界的访问冲突等。并发控制是关系型数据库管理系统中的一个独立子系统，它负责协调多个并发执行事务之间的交互，使得数据库可以在多用户同时访问时仍然保持数据一致性和完整性。

2.1 事务

事务（Transaction）是由数据库管理系统作为一个整体进行管理的一个或多个 SQL 语句的集合。事务提供了一种处理一系列数据库操作的方式，包括读、写及更新数据操作。事务应该具有四个属性（ACID特性）:

Atomicity (原子性):一个事务是一个不可分割的工作单位，事务中的所有操作要么都发生，要么都不发生。如果一个事务中的操作失败，则整个事务都不能成功，数据库系统会保持之前的状态，不会出现数据不一致现象。
Consistency (一致性):事务必须是数据库所处的一致性状态，这意味着所有的运行结果都是正确的，即一个事务执行之前和之后都必须处于一致性状态。
Isolation (隔离性):一个事务的执行不能被其他事务干扰，即该事务内部的操作及使用的数据对其他事务是隔离的，并发执行的各个事务之间不能互相干扰。
Durability (持久性):一个事务一旦提交，它对数据库所作的更改就应该永久保存。接下来的其他操作或故障不应该对其有任何影响。

2.2 并发

并发（Concurrency）是指两个或者多个事务(或命令)在同一时间段中运行，他们共同访问相同的数据资源，并且没有要求这些事务按照特定顺序执行。这导致了数据的不确定性和临时的不一致性，也就是说，当两个或多个事务同时操作某个数据时，可能会产生未定义的结果。

2.3 锁

锁（Lock）是用于防止并发访问数据库资源的机制。锁提供了在事务开始和结束时对数据库对象加锁、解锁的手段。当一个事务请求对某一资源进行加锁时，如果该资源已经被其他事务占用，则该事务只能等待或放弃资源。

2.4 两阶段提交协议

两阶段提交协议（Two-Phase Commit Protocol）是一种分布式事务模型。该模型把事务的Commit过程分为两个阶段：第一阶段，准备阶段，事务询问是否可以执行，这一步涉及到锁定资源并检查事务状态；第二阶段，提交阶段，事务正式提交，释放资源。如果在第一阶段有其他事务的请求或锁，那么当前事务进入阻塞状态直至获得必要的锁，最后才可提交事务。

2.5 可串行化调度

可串行化调度（Serializable Scheduling）是一种数据库事务调度策略。在可串行化调度下，每个事务都按照时间先后顺序执行，每一个事务只能看见之前事务的committed结果，不能看到其它事务的中间结果。这种策略能够保证数据一致性和完整性，但是代价是性能较差。

3. 并发控制实现原理

并发控制的目的主要是为了防止多个事务或者用户同时操作相同的数据而导致数据不一致的问题。在数据库系统中，并发控制主要通过锁机制实现。锁机制保证了一个事务在任何时刻只能对某一资源进行访问，只有当事务释放相应的锁之后才能被其他事务所使用。当多个事务试图对共享资源同时做更新或读取操作时，数据库管理系统一般采用两种方式防止冲突，一个是基于锁的并发控制，另一个是基于时间戳的并发控制。

3.1 基于锁的并发控制

基于锁的并发控制是最简单的并发控制方法。在这种方法中，数据库管理系统维护一个全局数据结构，其中包含关于每个事务所占用的锁的信息。当一个事务想要对某一资源进行加锁时，首先查看该资源上是否已被其他事务加锁。若该资源已被加锁，则该事务需等待锁被释放，直到自己获取到锁后才继续执行。锁可以是排他锁或共享锁，不同的锁模式对应不同的并发控制策略。

3.1.1 排他锁

排他锁又称为写锁，一次只允许一个事务对某一资源进行写操作。当一个事务在某个资源上获取了排他锁，其它事务不能再对该资源进行加锁，直到该事务释放该锁。

例如，当一个事务要插入一条记录到某个表中时，它应先对表上锁，避免其它事务的写入操作对其产生影响。

排他锁的优点是效率高，因为它只对被锁定的资源做写操作，因此不会造成不一致性。缺点是容易死锁。

3.1.2 共享锁

共享锁又称为读锁，允许多个事务同时对某一资源进行读操作，但不允许写操作。当一个事务在某个资源上获取了共享锁，则其它事务也可以对该资源加共享锁，但不能申请排他锁。

例如，当两个事务要查询一条记录时，它们可以在数据库中分别创建相应的视图，并对视图加共享锁，这样就可以并发地进行查询操作。

共享锁的优点是提升并发度，能降低锁争用，避免死锁。缺点是可能出现不一致性。

3.1.3 封锁协议

封锁协议（Locking Protocols）是一种算法，它定义了对一个资源做读或写操作时如何加锁，以及在何时释放锁。封锁协议定义了两个规则，一个是封锁传递规则，一个是事务终止规则。

封锁传递规则规定，如果一个事务T1对资源R加了X锁，则任何直接或间接对R的访问均应遵循相同的锁协议。例如，T1对X加了写锁，则事务T2对X上的任意访问均应遵循写锁协议。

事务终止规则规定，当一个事务完成时，它必须释放它持有的锁，否则就会导致死锁或数据不一致的问题。

封锁协议可有效防止死锁，提升并发度，且无死锁发生几率。封锁协议的实现比较复杂，但相关的研究工作也取得了长足进展。

3.2 基于时间戳的并发控制

基于时间戳的并发控制方法使用时间戳记录事务开始的时间，并根据每个事务的开始时间进行排序，以此确保事务之间的相对顺序。时间戳可以由事务管理器分配给事务，也可以由数据库管理系统生成。基于时间戳的并发控制方法的特点是简单高效，不需要维护锁信息，适用于大多数事务，但也存在一些并发问题。

3.3 两阶段提交协议的实现

两阶段提交协议是一种分布式事务模型。它把事务的Commit过程分为两个阶段：第一阶段，准备阶段，事务询问是否可以执行，这一步涉及到锁定资源并检查事务状态；第二阶段，提交阶段，事务正式提交，释放资源。如果在第一阶段有其他事务的请求或锁，那么当前事务进入阻塞状态直至获得必要的锁，最后才可提交事务。

两阶段提交协议的实现流程如下：

事务协调者（Coordinator）向所有的参与者（Participants）发送事务准备消息，询问是否能够执行事务，并对需要锁定的资源进行加锁。
如果事务询问能否执行，所有参与者均回答YES，则进入准备阶段。
事务协调者将事务的操作信息发送给所有的参与者，然后进入等待阶段。
参与者因完成事务准备工作而释放锁，然后各自将自己的操作结果反馈给事务协调者。
事务协调者收集各参与者的操作结果，并判断事务是否具备提交条件，如所有的参与者操作结果都一样则提交事务，否则取消事务。
提交事务。

两阶段提交协议的关键在于如何确定参与者是否准备好提交事务，即参与者是否都释放了所有锁。如果有一个或多个参与者一直没有释放锁，则认为事务处于阻塞状态，进入等待状态。两阶段提交协议解决了长事务的开销问题，因为它可以最大程度地减少资源锁定时间，但是仍然存在部分丢失的风险。

3.4 可串行化调度的实现

可串行化调度的实现方式有两种：基于规则的可串行化调度和基于反规范的可串行化调度。基于规则的可串行化调度的基本思想是在调度过程中，按照一定的调度策略进行调度，确保事务的执行符合一个序列。基于反规范的可串行化调度则是通过引入规范来约束事务的执行序列。

4. 并发控制示例

下面以银行账户余额为例子，分析并发控制的两种方法——基于锁和基于时间戳。

假设有一张表bank_account，记录了每个客户的银行账户余额和可用金额。假设有两个事务A和B，它们都对同一个账户account_id=1进行操作：事务A需要将账户account_id=1的可用余额增加100元，事务B则需要将账户account_id=1的可用余额减少50元。

4.1 基于锁的方法

基于锁的方法是首先对账户account_id=1上锁，然后判断哪些事务需要对账户account_id=1上锁，锁什么资源，并向锁服务请求锁。锁服务返回一个可以使用的锁。如果两个事务需要对账户account_id=1上锁，则获取到的锁类型不同，A获得的是排它锁，B获得的是共享锁。如果某个事务需要对账户account_id=1上锁，且锁服务无法满足需求，则该事务只能等待或放弃资源。

在锁服务的帮助下，数据库系统确保了两个事务不会同时对同一个账户account_id=1进行操作，从而避免了数据不一致的问题。

4.2 基于时间戳的方法

基于时间戳的方法则是给每个事务分配一个开始时间戳，并根据每个事务的开始时间戳进行排序。由于数据库系统总是按照时间戳从小到大的顺序对事务进行排序，所以同一时间内的所有事务都可以按照相对顺序执行，从而确保了事务之间的相对顺序。

由于两个事务的开始时间不同，因此两者之间无法并发地对同一个账户account_id=1进行操作。但是，基于时间戳的方法同样能确保数据一致性和完整性，而锁机制却不能。