《事务与并发控制》课件

事务与并发控制事务是数据库操作的基本单元,能确保数据库状态从一个一致性状态转移到另一个一致性状态。并发控制则确保在多个用户同时访问数据库时,保证数据的一致性和完整性。本课件将深入探讨这两个重要的数据库管理概念。事务概述1定义事务是数据库中一个基本的逻辑操作单元,由一系列数据读取和写入操作组成。2作用事务确保数据的完整性和一致性,确保多个操作作为一个整体执行。3特点事务具有原子性、一致性、隔离性和持久性四大特性,简称ACID特性。4应用事务广泛应用于银行转账、订单支付等涉及多步操作的场景中。事务的ACID特性原子性(Atomicity)事务是不可分割的最小操作单元，要么全部执行，要么全部不执行。一致性(Consistency)事务执行前后，数据库都必须处于一致状态，满足完整性约束。隔离性(Isolation)事务之间相互独立执行，不会互相干扰。持久性(Durability)事务一旦提交或回滚，其结果就会永久保存或撤销，不会丢失。事务的原子性事务的不可分割性事务中的所有操作要么全部执行成功，要么全部执行失败。即使在执行过程中出现故障，事务仍然保持数据库从一种一致状态转移到另一种一致状态。事务的回滚机制如果事务中的任何一个操作失败，就需要执行回滚操作，撤消已经执行的操作，使数据库返回到事务开始前的状态。事务日志的作用通过记录事务的变更信息到日志中，可以在发生故障时进行恢复,确保事务的原子性。事务的一致性面临挑战事务必须从一种合法的状态转移到另一种合法的状态。即使在事务执行期间出现故障,事务也必须确保数据库保持一致性。这需要事务处理系统能够正确地检查和修正数据之间的关联性。一致性保证事务处理系统必须确保任何事务的执行都不会违反数据库中定义的完整性约束。这意味着事务必须将数据库从一个有效状态转变为另一个有效状态,而不能产生中间状态。事务的隔离性防止干扰事务的隔离性确保了不同事务之间的操作互不干扰,提高了数据处理的安全性和可靠性。实现独立性隔离性保证了每个事务都可以独立执行,不受其他事务的影响,从而保证了数据的完整性。避免并发问题恰当的隔离级别可以有效地避免事务并发执行时出现的丢失修改、脏读、不可重复读等问题。提高并发性通过合理的隔离级别设置,可以在保证数据一致性的前提下,提升系统的并发处理能力。事务的持久性事务持久性的定义事务的持久性是指一旦事务提交成功,其所做的修改就会永久保存在数据库中,即使系统崩溃或遇到其他故障也不会丢失。事务日志的作用通过记录事务操作日志,可以在系统故障时恢复数据库状态,确保事务的持久性。事务回滚的必要性如果事务在执行过程中发生异常,可以通过事务回滚机制撤销之前的操作,保证数据的一致性。并发控制问题丢失修改当多个事务同时更新同一数据时,可能会导致某些事务的更新被覆盖,造成数据不一致。脏读一个事务读取了另一个尚未提交的事务修改的数据,可能会导致事务数据不一致。不可重复读一个事务在同一查询过程中两次读取到的数据不一致,是由于另一事务的提交导致。幻读一个事务执行同样的查询两次,由于另一事务的插入/删除,查询结果不一致。丢失修改何谓丢失修改丢失修改是指当两个事务同时更新同一数据时,后一个事务的更新结果会把前一个事务的更新覆盖掉。这会导致前一个事务的工作成果丢失。引发问题丢失修改会导致数据不一致,破坏了事务的ACID特性中的一致性。这可能会给业务带来严重的后果。脏读未提交数据访问脏读指一个事务读取了另一个未提交事务修改的数据，这样读取的数据可能会被回滚而成为无效数据。潜在的数据不一致脏读会导致读取到不符合一致性要求的数据，可能会产生错误的分析和决策。隔离级别的作用通过设置合适的隔离级别，可以有效地避免脏读的发生，保证数据的一致性。不可重复读定义不可重复读是指在同一事务中,多次读取同一数据,但由于其他事务的修改和提交,每次读取到的数据都不一样。问题描述一个事务在两次查询之间,另一个事务对数据进行了修改并提交,导致同一事务的两次读取得到不同的结果。危害不可重复读会导致读取数据的不一致性,严重影响应用程序的逻辑和正确性。解决方案使用较高的隔离级别,如可重复读或串行化,可以有效避免不可重复读的问题。幻读1定义幻读是指事务在执行过程中读取了别的事务尚未提交的数据，导致读取的数据与实际不符的问题。2发生原因多个事务同时读写同一数据，事务A读取了事务B尚未提交的修改数据，从而出现了幻读问题。3危害幻读会导致事务的结果不一致和数据的不可靠，从而给数据库带来严重的隐患。4解决方法将事务隔离级别设置为可重复读(RepeatableRead)可以有效地避免幻读的问题。隔离级别读未提交最低级别的隔离级别，事务可以读取其他事务尚未提交的数据，存在脏读问题。读已提交事务只能读取已提交的数据，避免了脏读问题，但可能出现不可重复读问题。可重复读保证在同一事务中多次读取同样数据结果一致，避免了不可重复读问题，但可能出现幻读。串行化最高级别的隔离级别，通过串行执行事务来避免所有并发问题，但性能会受到影响。读未提交概念解释读未提交隔离级别允许一个事务读取另一个事务尚未提交的数据。这是最低的隔离级别,但也带来了脏读的风险。应用场景读未提交通常用于需要快速响应的系统,如即时聊天应用程序,因为它可以立即看到更新,但缺乏数据的一致性保证。读已提交隔离性及并发控制读已提交隔离级别能够避免脏读问题,但可能出现不可重复读的问题。这种隔离级别下,事务可以读取其他已提交事务修改过的数据。事务并发读已提交隔离级别可以有效控制事务并发冲突,但仍可能出现其他问题,需要根据实际应用场景选择合适的隔离级别。性能与安全性权衡读已提交隔离级别在性能和安全性之间做出了一定程度的折中,可以在一定程度上避免脏读问题,同时也提高了系统的并发性能。可重复读加强隔离可重复读隔离级别为事务在整个执行期间，读取数据的结果是一致的。快照读取可重复读通过创建数据副本来实现事务的一致性视图，防止出现不可重复读问题。一致性保证可重复读隔离级别提供了更高的数据一致性保证，确保事务在整个执行期间看到的数据是一致的。串行化串行控制串行化确保事务以特定的顺序执行,避免并发问题,但可能会降低系统吞吐量。串行可串行化串行可串行化是指一个调度可以等价地转换为一个串行调度,保证事务的隔离性。冲突可串行化冲突可串行化是一种更弱的可串行化,但能够更好地平衡隔离性和并发性。依赖分析通过分析事务之间的读写依赖关系,可以确定安全的调度顺序,避免并发问题。锁的种类1共享锁（共读锁）允许多个事务同时读取同一资源。读锁之间是兼容的，但读锁与写锁之间是互斥的。2排他锁（独占锁）只允许一个事务对数据进行读取和修改。读锁与写锁、写锁与写锁之间都是互斥的。3意向锁用于表示事务打算在某个级别上获取锁。意向锁分为意向共享锁和意向排他锁。4自动锁数据库系统自动加锁而无需用户干预。包括隐式锁和显式锁。共享锁定义共享锁允许多个事务同时读取同一数据资源,互不干扰。当一个事务获得共享锁后,其他事务也可以获得共享锁并进行读取操作。特点共享锁是一种读锁,多个事务可以同时持有共享锁。共享锁保护了数据的一致性,避免了读取操作的相互干扰。应用场景当事务只需要读取数据而不需要修改时,可以申请共享锁。共享锁可以提高并发性,提升系统吞吐量。获取方式在SQL语句中,可以使用LOCKINSHAREMODE或FORSHARE关键字来获取共享锁。排他锁独占锁排他锁也称为独占锁。当一个事务获得一个资源的排他锁时，其他事务不能再对该资源进行读取或修改操作。冲突解决排他锁可有效解决并发环境下的读写冲突和写写冲突。但需要合理设计锁获取策略以提高系统并发性。数据保护排他锁可确保数据的完整性和一致性。但过度使用会导致性能下降和死锁问题。需权衡并发性和数据安全。意向锁意向锁概述意向锁是一种特殊的共享锁和排他锁,用于在多级锁结构中保护更高级别的锁。通过建立锁的层次关系,可以提高并发性和事务效率。意向锁层级意向锁分为意向共享锁(IS)和意向排他锁(IX)两种,分别用于保护共享锁和排他锁。锁的层次从低到高依次为IS、S、IX、X。意向锁应用当一个事务需要对表进行全部或部分加锁时,会首先获取意向锁,然后再获取所需的共享锁或排他锁。这样可以减少不必要的锁冲突和死锁。乐观并发控制乐观的假设乐观并发控制基于这样一种假设:冲突发生的概率很低,不需要加锁就可以有效避免。无锁更新使用乐观并发控制时,事务可以无锁地执行读写操作,直到事务结束时再检查是否有冲突。冲突检测当事务提交时,系统会检查该事务是否与其他并发事务发生冲突。如果发生冲突,事务将被回滚重试。性能优势相比于悲观并发控制,乐观并发控制避免了过多的加锁开销,能够提高系统的吞吐量。第二版本控制版本管理第二版本控制是一种更高级的版本管理机制,能够跟踪并管理文件的变更历史。冲突解决当多个用户同时修改同一文件时,第二版本控制可自动检测并解决冲突,保证数据的一致性。并发控制第二版本控制通过并发控制机制,确保多个用户可以并行地修改和提交变更而不会相互干扰。回滚功能第二版本控制允许用户随时回滚到之前的任何版本,为开发提供了安全可靠的环境。视图隔离概念解释视图隔离是一种并发控制技术,它通过为每个事务创建一个独立的数据视图,使得事务之间相互隔离,从而避免常见的并发问题。实现原理视图隔离通过维护事务的快照数据,保证每个事务看到的数据都是一致的,不会受到其他事务的影响。这种方式可以有效地解决不可重复读和幻读问题。事务日志事务日志概述事务日志是数据库用于保证事务ACID特性的关键机制。它记录了数据的变更情况,为事务的提交和回滚提供依据。重做日志重做日志记录了对数据的更改操作,可以用于在故障恢复时将数据恢复到特定时间点。回滚日志回滚日志记录了事务执行过程中的变更,用于事务回滚时撤销这些变更。回滚日志1记录未提交的更改回滚日志会记录事务在执行过程中对数据库所做的所有未提交的修改操作。2支持事务回滚当事务需要回滚时,可以利用回滚日志中的信息来撤销之前的修改操作。3提高恢复效率回滚日志加快了数据库故障恢复的速度,避免了重做整个事务的操作。4最小化数据损失回滚日志确保了事务回滚时数据的完整性,最大程度地减少了数据损失。重做日志数据完整性重做日志记录了已成功提交的事务操作，用于保证数据的完整性和一致性。故障恢复当系统发生故障时，可以利用重做日志进行前滚操作，恢复数据到正确状态。事务提交重做日志记录了已提交事务的变更，可以用于提交后的数据恢复。故障恢复检查点定期保存数据库状态,确保在发生故障时能快速恢复。前滚从最近的检查点开始,重新应用后续的事务日志,将数据库恢复到故障前的状态。后滚回滚未提交的事务,确保数据库保持一致性和完整性。检查点定期记录数据库系统会定期生成检查点,将内存中的缓存数据刷新到磁盘中,确保数据的一致性和持久性。数据备份检查点生成时,系统会自动备份数据库的状态,为后续的恢复操作提供依据。恢复优化当系统发生故障时,可以从最近的检查点开始进行恢复,大幅减少恢复时间和成本。前滚1检查点定期保存系统状态2重做日志重播事务修改3前滚恢复从检查点重建系统前滚恢复是事务处理系统故障恢复的关键步骤。首先需要定期保存系统的稳定状态，即创建检查点。当系统发生故障时，可以从最近的检查点开始，重放重做日志中的事务修改操作，将系统恢复到故障前的状态。这种基于重做日志的前滚恢复过程可以快速、高效地恢复系统。后滚1数据回滚当事务发生错误或需要撤销时,后滚可以将数据恢复到事务开始前的状态。2事务日志回溯通过回滚事务日志,可以逐步恢复数据到之前的正确状态。3