摘要：確保持久性是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為恢復(fù)管理部件的軟件部件責(zé)任。中止狀態(tài)事務(wù)回滾并且數(shù)據(jù)庫已恢復(fù)到事務(wù)開始執(zhí)行前的狀態(tài)之后。

　　事務(wù)是構(gòu)成單一邏輯工作單元的操作集合。即使有故障，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也必須保證事務(wù)的正確執(zhí)行，即執(zhí)行整個事務(wù)或?qū)儆谠撌聞?wù)的操作一個也不執(zhí)行。

　　事務(wù)是訪問并可能更新各種數(shù)據(jù)項的一個程序執(zhí)行單元。事務(wù)由事務(wù)開始(begin transaction)與事務(wù)結(jié)束(end transaction)之間執(zhí)行的全體操作組成。為了保證數(shù)據(jù)完整性，要求數(shù)據(jù)庫維護事務(wù)的以下性質(zhì)：

原子性(atomicity)：事務(wù)的所有操作在數(shù)據(jù)庫中要么全部正確反映，要么全部不反映。

一致性(consistency)：隔離執(zhí)行事務(wù)時(即，在沒有其他事物并發(fā)執(zhí)行的情況下)保持數(shù)據(jù)庫的一致性。

隔離性(isolation)：盡管多個事務(wù)可能并發(fā)執(zhí)行，但系統(tǒng)保證，對于任何一對事務(wù)Ti和Tj，在Ti看來，Tj或者在Ti開始之前已經(jīng)完成執(zhí)行，或者在Ti完成之后開始執(zhí)行。這樣，每個事務(wù)都感覺不到系統(tǒng)中有其他事務(wù)在并發(fā)地執(zhí)行。

持久性(durability)：一個事務(wù)成功完成之后，它對數(shù)據(jù)庫的改變是永久的，即使系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障。

　　這些特性通常稱為ACID特性。
設(shè)Ti是從賬戶A過戶50美元到賬戶B的事務(wù)。這個事務(wù)可以定義為

Ti:read(A);
   A-=50;
   write(A);
   read(B);
   B+=50；
   write(B);

　　一致性要求事務(wù)的執(zhí)行不改變A、B之和。如果沒有一致性要求，金額可能會被事務(wù)憑空創(chuàng)造或者銷毀！如果數(shù)據(jù)庫在事務(wù)執(zhí)行前是一致的，那么事務(wù)執(zhí)行后仍將保持一致性，這是很容易驗證的。確保單個事務(wù)的一致性是編寫該事務(wù)的應(yīng)用程序員的責(zé)任，完整性約束的自動檢查給這項工作帶來了便利。如果系統(tǒng)的狀態(tài)不再反映數(shù)據(jù)庫本應(yīng)描述的現(xiàn)實世界的真實狀態(tài)，稱之為不一致狀態(tài)。

　　保證原子性的思路：對于事務(wù)要執(zhí)行寫操作的數(shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在磁盤上記錄其舊值，如果事務(wù)沒能完成執(zhí)行(如在事務(wù)執(zhí)行過程中出現(xiàn)了故障)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將恢復(fù)其舊值，使得表面上事務(wù)從未執(zhí)行過。保證事務(wù)的原子性是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身的責(zé)任，具體而言是由事務(wù)管理部件保證的

　　持久性保證事務(wù)一旦成功地完成執(zhí)行，該事務(wù)對數(shù)據(jù)庫所做的更新都是永久的，即使事務(wù)執(zhí)行完成之后出現(xiàn)系統(tǒng)故障。現(xiàn)在假設(shè)計算機系統(tǒng)的故障會導(dǎo)致內(nèi)存數(shù)據(jù)丟失，但已經(jīng)寫入磁盤的數(shù)據(jù)卻不會丟失。可以通過確保以下兩條中的任何一條來達到持久性：下面這兩條都是指的在事務(wù)完成之后發(fā)生故障后信息不會丟失的手段。在這里持久性的事務(wù)完成應(yīng)該包含了兩重含義：一是在事務(wù)結(jié)束的時候更新也全部寫入磁盤了，這樣叫做事務(wù)完成。二是事務(wù)結(jié)束的時候并非所有更新都寫入磁盤了，可能是部分也可能都沒有，但 寫入了哪些更新以及還有哪些沒寫入的更新 的信息是被寫入到磁盤上了的，這樣也叫做事務(wù)完成了。

事務(wù)做的更新在事務(wù)結(jié)束前就已經(jīng)寫入磁盤。

有關(guān)事務(wù)已執(zhí)行的更新和已寫到磁盤上的更新信息必須充分，能讓數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)出現(xiàn)故障后重新啟動時重新構(gòu)造更新。

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　　確保持久性是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中稱為恢復(fù)管理部件的軟件部件責(zé)任。事務(wù)管理部件和恢復(fù)管理部件之間關(guān)系密切。

　　即使每個事務(wù)都能確保一致性和原子性，如果幾個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行，它們的操作會以某種人們所不希望的方式交叉執(zhí)行，這也會導(dǎo)致不一致的狀態(tài)。一種避免事務(wù)并發(fā)執(zhí)行而產(chǎn)生的問題的途徑是串行地執(zhí)行事務(wù)，但事務(wù)并發(fā)執(zhí)行能顯著地改善性能。因此人們提出了多種允許多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行的解決方法。
　　例如：以常用的mysql InnoDB存儲引擎為例：加入商品表items表中有一個字段status，status=1表示該商品未被下單，status=2表示該商品已經(jīng)被下單，那么我們對每個商品下單前必須確保此商品的status=1。假設(shè)有一件商品，其id為10000；如果不使用鎖，那么操作方法如下：

   //查出商品狀態(tài)
   select status from items where id=10000;
   //根據(jù)商品信息生成訂單
   insert into orders(id,item_id) values(null,10000);
   //修改商品狀態(tài)為2
   update Items set status=2 where id=10000;

　　上述場景在高并發(fā)環(huán)境下可能出現(xiàn)問題： 前面已經(jīng)提到只有商品的status=1是才能對它進行下單操作，上面第一步操作中，查詢出來的商品status為1。但是當(dāng)我們執(zhí)行第三步update操作的時候，有可能出現(xiàn)其他人先一步對商品下單把Item的status修改為2了，但是我們并不知道數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改了，這樣就可能造成同一個商品被下單2次，使得數(shù)據(jù)不一致。所以說這種方式是不安全的。
　　事務(wù)的隔離性確保事務(wù)并發(fā)執(zhí)行后的系統(tǒng)狀態(tài)與這些事務(wù)一個接一個地執(zhí)行后的狀態(tài)是等價的。確保隔離性是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中并發(fā)控制部件來保證的。

　　中止事務(wù)：不能順利完成的事務(wù)。
　　回滾：為保證原子性，對中止事務(wù)對數(shù)據(jù)庫所做過的所有更改進行撤銷。
　　已提交事務(wù)：成功完成執(zhí)行的事務(wù)。
　　補償事務(wù)：撤銷已提交事務(wù)所造成的影響的唯一方法，這種補償事務(wù)是交給用戶自己來編寫和執(zhí)行的。
　　

　　活動狀態(tài)：初始狀態(tài)；事務(wù)執(zhí)行時處于這個狀態(tài)。在活動狀態(tài)中出現(xiàn)邏輯錯誤可能會進入失敗狀態(tài)
　　部分提交狀態(tài)：最后一條語句執(zhí)行后。此時事務(wù)已經(jīng)完成執(zhí)行，但由于實際輸出可能仍臨時駐留在主存中，一個硬件故障可能可能阻止其成功完成，這個時候就會進入失敗狀態(tài)。
　　失敗狀態(tài)：發(fā)現(xiàn)正常的執(zhí)行不能繼續(xù)之后。系統(tǒng)判定事務(wù)的無法正常進行后(由于硬件或邏輯錯誤)，事務(wù)進入失敗狀態(tài)。失敗狀態(tài)的事務(wù)必須進行回滾，這樣就進入了中止狀態(tài)。
　　中止狀態(tài)：事務(wù)回滾并且數(shù)據(jù)庫已恢復(fù)到事務(wù)開始執(zhí)行前的狀態(tài)之后。在中止狀態(tài)中，系統(tǒng)有兩種選擇：1.重啟事務(wù)：僅當(dāng)引起事務(wù)中止的是硬件錯誤而不是事務(wù)的內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的軟件錯誤時。重啟事務(wù)看成是一個新事務(wù)。2.殺死事務(wù)：通常是由于事務(wù)的內(nèi)部邏輯錯誤，只有重寫應(yīng)用程序才能改正，或者由于輸入錯誤，或者所需數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中沒有找到。
　　提交狀態(tài)：成功完成之后。

　　事務(wù)處理系統(tǒng)通常允許多個事務(wù)并發(fā)執(zhí)行。如前所述，允許多個事務(wù)并發(fā)更新數(shù)據(jù)引起許多數(shù)據(jù)一致性的問題。然而有兩條理由促使我們使用允許并發(fā)：

提高吞吐量和資源利用率。一個事務(wù)由多個步驟組成，一些步驟涉及IO活動，另一些涉及CPU活動。計算機系統(tǒng)中CPU和磁盤并行運作。因此IO活動可以與CPU處理并行進行。利用CPU與IO系統(tǒng)的并行性，多個事務(wù)可并行執(zhí)行。當(dāng)一個事務(wù)在一個磁盤上進行讀寫時，另一個事務(wù)可以在CPU上運行，同時第三個事務(wù)又可在另一磁盤上進行讀寫。從而吞吐量增加，即給定的時間內(nèi)執(zhí)行的事務(wù)數(shù)增加，相應(yīng)地，處理器與磁盤利用率也提高，換句話說處理器與磁盤空閑的時間較少。

減少等待時間。如果事務(wù)串行執(zhí)行，短事務(wù)可能必須等待它前面的長事務(wù)完成，這可能導(dǎo)致難以預(yù)測的延遲。如果各個事務(wù)是針對數(shù)據(jù)庫的不同部分進行操作，事務(wù)并發(fā)執(zhí)行可能會更好，各個事務(wù)可以共享CPU周期和磁盤存取。并發(fā)執(zhí)行也能減少平均響應(yīng)時間，即一個事務(wù)從開始到完成所需的平均時間。

　　在數(shù)據(jù)庫中使用并發(fā)執(zhí)行后的動機本質(zhì)上與操作系統(tǒng)中使用多道程序(multiprograming)的動機是一樣的。

　　事務(wù)的調(diào)度可以分為串行調(diào)度和并發(fā)調(diào)度。

串行調(diào)度就是在執(zhí)行事務(wù)時，是一個事務(wù)一個事務(wù)地執(zhí)行，就是先按順序執(zhí)行完一個事務(wù)的所有指令，再去按順序執(zhí)行完另一個事務(wù)的所有指令。串行調(diào)度的缺點也就是對應(yīng)于前面并發(fā)執(zhí)行的兩個理由。

并發(fā)調(diào)度就是并發(fā)執(zhí)行多個事務(wù)時的調(diào)度，多個事務(wù)的各條指令可以交叉執(zhí)行，一個處理器可能在多個事務(wù)之間進行上下文切換。并發(fā)調(diào)度存在問題是可能會造成數(shù)據(jù)庫的不一致性，比如修改被覆蓋(課件P6)、臟讀、不可重復(fù)讀、幻讀等等。

???????為了事務(wù)的一致性或者說數(shù)據(jù)庫的一致性，其中的一種主要的思想就是并發(fā)調(diào)度執(zhí)行的效果應(yīng)該和沒有并發(fā)調(diào)度執(zhí)行的結(jié)果相同(也可以有其他方法詳見數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概念25章高級事務(wù)處理6.2并發(fā)控制)。這樣的并發(fā)調(diào)度也被叫做可串行化的(并發(fā))調(diào)度或者具有可串行性。這也是隔離性最強的級別的含義。

　　為了實現(xiàn)這種并發(fā)調(diào)度的可串行化，兩種可以充分保證可串行化的并發(fā)調(diào)度特例被提出了：沖突可串行化調(diào)度和視圖可串行化調(diào)度，即串行化調(diào)度包含沖突可串行化調(diào)度、視圖串行化調(diào)度，其中視圖串行化調(diào)度又包含沖突串行化調(diào)度。這兩種串行化調(diào)度特例 就是保證可串行化調(diào)度的 多種并發(fā)控制機制的基礎(chǔ)。
　　指令(操作)沖突的定義如下圖所示，同一事務(wù)的指令之間是不能交換順序的因此也看作是沖突的，當(dāng)兩個不同事務(wù)的對同一數(shù)據(jù)項的兩條指令都是read的時候兩者才是不沖突的。來自不同事務(wù)的兩指令，只要其中一條指令是write的那么，就是互為沖突指令。反之，則互為非沖突指令。如果調(diào)度S可以經(jīng)過一系列非沖突指令交換轉(zhuǎn)換成S"，我們稱S和S"是沖突等價的。若一個調(diào)度S和一個串行調(diào)度沖突等價，那么則稱調(diào)度S是沖突可串行化的。


　　
數(shù)據(jù)庫中為了并發(fā)調(diào)度后保證一致性的并發(fā)控制部件，可以采取多個并發(fā)機制來實現(xiàn)串行化從而保證一致性，準確地說是某些機制只允許產(chǎn)生沖突可串行化調(diào)度，而另一些則允許產(chǎn)生非沖突可串行化的視圖可串行化調(diào)度。接下來要講到的并發(fā)控制協(xié)議有基于鎖的協(xié)議(兩段封鎖協(xié)議和基于圖的封鎖協(xié)議)、基于時間戳的協(xié)議、基于有效性檢查的協(xié)議

構(gòu)造一個前驅(qū)圖(有向圖)

結(jié)點是每一個事務(wù)Ti。如果Ti的一個操作與Tj的一個操作發(fā)生沖突，且Ti的操作在Tj的操作前執(zhí)行，則繪制一條邊，由Ti指向Tj,?表征Ti要在Tj前執(zhí)行。

測試檢查:?如果此有向圖沒有環(huán)，則是沖突可串行化的!

　　保證可串行化是隔離性的最高級別，可串行性允許程序員在對事務(wù)編寫代碼時忽略與并發(fā)性相關(guān)的問題，是一個有用的概念。如果說沒有隔離性要求的事務(wù)能讓事務(wù)在獨立執(zhí)行時保證數(shù)據(jù)庫的一致性，那么加上有了最高級別的隔離性(即可串行化)的事務(wù)就能保證事務(wù)在并發(fā)執(zhí)行時也能保證數(shù)據(jù)庫的一致性。
　　但可串行化的缺點在于對于一些應(yīng)用而言，遵守保證可串行性的那些協(xié)議意味著可能就只能允許極小的并發(fā)性了。在這種情況下，我們采用較弱級別的隔離性即不能從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)上來保證完全的一致性了或者說保證了較弱級別的一致性，要想保證完全的一致性則需要程序員在編寫事務(wù)代碼注意了，所以說使用較弱級別一致性給程序員增加了額外負擔(dān)。
　　隔離性級別可以分為從強到弱可以分為：可串行化、可重復(fù)讀、已提交讀、未提交讀。也對應(yīng)著從強到弱的一致性級別。關(guān)于四種隔離級別鎖實現(xiàn)的原理可參看Innodb中的事務(wù)隔離級別和鎖的關(guān)系

　　
　　違反可串行化的三種現(xiàn)象，也是可能破壞數(shù)據(jù)庫一致性的三種異常現(xiàn)象避免詞不達意就不翻譯了：定義參照《sql92標準》以及論文《A Critique of ANSI SQL Isolation Levels》，論文中對SQL92中的標準中定義模糊的地方提出了批評并對隔離級別和異常現(xiàn)象做出了更精準的描述。ps:SQL92標準找到了txt版本的，更新的SQL標準基本上都不是免費的了，找了無果之后沒有繼續(xù)再找。想要繼續(xù)了解SQL標準可以先看看談?wù)凷QL標準

臟讀(dirty read)：SQL-transaction T1 modifies a row. SQL-transaction T2 then reads that row before T1 performs a COMMIT.If T1 then performs a ROLLBACK, T2 will have read a row that was never committed and that may thus be considered to have never existed.

不可重復(fù)讀(nonrepeatable read)：SQL-transaction T1 reads a row. SQL-transaction T2 then modifies or deletes that row and performs a COMMIT. If T1 then attempts to reread the row, it may receive the modified value or discover that the row has been deleted.

幻讀(phantom read)：SQL-transaction T1 reads the set of rows N that satisfy some