Двухфазная блокировка

Двухфазная блокировка – протокол, предусматривающий, что все операции блокирования предшествуют первой операции разблокирования.

В соответствии с основным правилом этого протокола каждая транзакция может быть разделена на две фазы: фазу расширения, в которой устанавливаются все необходимые блокировки и не освобождается ни одна из них, и фазу сужения, в которой освобождаются все установленные ранее блокировки, но не может быть установлена ни одна новая блокировка. При этом нет никакой необходимости в том, чтобы все требуемые блокировки были установлены одновременно. Как правило, транзакция устанавливает некоторые блокировки, выполняет определенную обработку, после чего может затребовать установку дополнительных необходимых ей блокировок. Однако она не может освободить ни одной из блокировок, пока не будет достигнута стадия выполнения, на которой больше не потребуется установка новых блокировок. Работа ведется по приведенным ниже правилам.

• Прежде чем начать работу с элементом данных, транзакция должна установить для него блокировку. Блокировка может устанавливаться для чтения или записи, в зависимости от типа требуемого доступа.

• Как только транзакция освободит хотя бы одну установленную ею блокировку, она уже не имеет права затребовать блокировки новых элементов.

Если СУБД поддерживает операции повышения уровня блокировок, то такое повышение допускается только в фазе расширения. Подобные действия могут потребовать перехода транзакции в состояние ожидания на то время, пока другие транзакции отменят установленные ими разделяемые блокировки данного элемента. Снижение уровня блокировки допускается только в фазе сужения.

Рассмотрим, как протокол двухфазной блокировки может помочь в устранении проблем потерянного обновления, зависимости от незафиксированных результатов и анализа несогласованности.

Пример 8.4. Использование протокола двухфазной блокировки для устранения проблемы потерянного обновления.

Способ устранения проблемы потерянного обновления с помощью протокола двухфазной блокировки показан в табл. 8.4. Чтобы избежать потери выполненного обновления, транзакция Т2 должна вначале установить исключительную блокировку на элементе «Кол-во студентов». Затем она может считать из базы данных текущее значение этого элемента, увеличить его на 10 человек и записать результат в базу данных. В момент запуска транзакция Т1 также потребует установить исключительную блокировку элемента «Кол-во студентов». Но, поскольку на элемент данных «Кол-во студентов» к этому моменту уже установлена исключительная блокировка в транзакции Т2, этот запрос со стороны транзакции Т1 не влечет за собой немедленного предоставления требуемой блокировки, поэтому транзакция Т1 переходит в состояние ожидания до освобождения блокировки транзакцией Т2. Однако это произойдет только после фиксации результатов выполнения транзакции Т2 в базе данных.

Таблица 8.4. Пример решения проблемы потерянного обновления

Время	Транзакция Т1	Транзакция Т2	Поле «Кол-во студентов» записи ТМ-32
t1		Начало транзакции	30
t2	Начало транзакции	Исключительная блокировка «Кол-во студентов»	30
t3	Исключительная блокировка «Кол-во студентов»	Считывание КС из «Кол-во студентов»	30
t4	Ожидание	КС=КС+10	40
t5	Ожидание	Запись КС в «Кол-во студентов»	40
t6	Ожидание	Окончание транзакции/ снятие блокировки	40
t7	Считывание КС из «Кол-во студентов»		40
t8	КС=КС-5		35
t9	Запись КС в «Кол-во студентов»		35
t10	Окончание транзакции/ снятие блокировки		35

Пример 8.5. Использование протокола двухфазной блокировки для

устранения проблемы зависимости от незафиксированных

результатов

Способ устранения проблемы зависимости от незафиксированных результатов транзакций продемонстрирован в табл. 8.5. Во избежание возникновения данной проблемы транзакция Т4 должна вначале потребовать предоставления ей исключительной блокировки на элемент данных «Кол-во студентов». Далее она может прочитать из базы данных текущее значение этого элемента, увеличить его на 10 человек, а затем записать новое значение в базу данных. При выполнении отката этой транзакции выполненное ею обновление значения элемента «Кол-во студентов» будет отменено и этому элементу данных будет возвращено прежнее значение, равное 30 человек. В момент начала транзакции Т3 она также потребует предоставления ей исключительной блокировки элемента «Кол-во студентов». Но, поскольку на этот элемент данных уже распространяется исключительная блокировка, установленная транзакцией Т4, запрос транзакции Т3 удовлетворить не удастся и она будет переведена в состояние ожидания вплоть до освобождения транзакцией Т4 необходимого ей элемента данных. Это произойдет только после отката результатов выполнения транзакции Т4 и приведения базы данных в первоначальное состояние.

Таблица 8.5. Пример решения проблемы зависимости от незафиксированных результатов

Время	Транзакция Т3	Транзакция Т4	Поле «Кол-во студентов» записи ТМ-32
t1		Начало транзакции	30
t2		Исключительная блокировка «Кол-во студентов»	30
t3		Считывание КС из «Кол-во студентов»	30
t4	Начало транзакции	КС=КС+10	40
t5	Исключительная блокировка «Кол-во студентов»	Запись КС в «Кол-во студентов»	40
t6	Ожидание	Откат/ снятие блокировки	30
t7	Считывание КС из «Кол-во студентов»		30
t8	КС=КС-5		25
t9	Запись КС в «Кол-во студентов»		25
t10	Окончание транзакции/ снятие блокировки		25

Пример 8.6. Использование протокола двухфазной блокировки для

устранения проблемы анализа несогласованности

Способ устранения проблемы анализа несогласованности показан в табл. 8.6. Для устранения этой проблемы в транзакции Т5 операциям чтения должна предшествовать установка исключительных блокировок, тогда как в транзакции Т6 операциям чтения должна предшествовать установка разделяемых блокировок. Поэтому при запуске на выполнение транзакция Т5 выдает запрос и получает исключительную блокировку на элемент «Кол-во студентов». В результате при попытке получения разделяемой блокировки на элемент «Кол-во студентов» в транзакции Т6 выполнение запроса откладывается и эта транзакция переходит в состояние ожидания, вплоть до освобождения требуемого ей элемента данных, т.е. до фиксации результатов транзакции Т5.

Таблица 8.6. Пример решения проблемы анализа несогласованности

Время	Транзакция Т5	Транзакция Т6	Поле «Кол-во студентов» записи ТМ-32	Поле «Кол-во студентов» записи ТМ-31	Поле «Кол-во студентов» записи ТЗ-31	Общее количество студентов
t1		Начало транзакции	30	25	20
t2	Начало транзакции	Сумма=0	30	25	20	0
t3	Исключительная блокировка «Кол-во студентов» ТМ-32		30	25	20	0
t4	Считывание значение «Кол-во студентов» из ТМ-32	Разделяемая блокировка «Кол-во студентов» в ТМ-32	25	25	20	0
t5	КС=КС-5	Ожидание	25	25	20	0
t6	Запись «Кол-во студентов» в ТМ-32	Ожидание	25	25	20	0
t7	Исключительная блокировка «Кол-во студентов» ТМ-31	Ожидание	25	30	20	0
t8	Считывание значение «Кол-во студентов» из ТМ-31	Ожидание	25	30	20	0
t9	КС=КС+5	Ожидание	25	30	20	0
t10	Запись в «Кол-во студентов» в ТМ-31	Ожидание	25	30	20	0
t11	Окончание транзакции/ снятие всех блокировок Т5	Ожидание				0
t12		Считывание значение «Кол-во студентов» из ТМ-32				0
t13		Сумма = Сумма +КС				25
t14		Разделяемая блокировка «Кол-во студентов» в ТЗ-31				25
t15		Считывание значение «Кол-во студентов» из ТЗ-31				25
t16		Сумма = Сумма +КС				45
t17		Разделяемая блокировка «Кол-во студентов» в ТМ-31				45
t18		Считывание значение «Кол-во студентов» из ТМ-31				45
t19		Сумма = Сумма +КС				75
t20		Окончание транзакции /снятие всех блокировок Т6	25	30	20	75

Можно доказать, что если во всех транзакциях графика соблюдается протокол двухфазной блокировки, этот график будет являться конфликтно упорядочиваемым. Но, несмотря на то, что протокол двухфазной блокировки гарантирует упорядочиваемость, могут возникать проблемы при неправильном выборе момента освобождения блокировок. Это возникает при каскадном откате.

Каскадный откат – ситуация, в которой отмена единственной транзакции приводит к целому ряду откатов зависящих от нее транзакций.

Каскадные откаты – явление нежелательное, поскольку потенциально они способны привести к отмене большого объема выполненной работы. Совершенно очевидно, что было бы очень полезно разработать протокол, исключающий возникновение каскадных откатов. Одним из возможных вариантов является дополнение обычного протокола двухфазной блокировки требованием откладывать выполнение отмены всех установленных блокировок до конца транзакции, как в предыдущих примерах. В подобном случае продемонстрированная в последнем примере проблема никогда не возникнет. Этот вариант протокола называют строгим протоколом двухфазной блокировки. Можно доказать, что при использовании строгого протокола двухфазной блокировки транзакции могут быть упорядочены в той последовательности, в которой происходит их фиксация.

Другой вариант протокола 2PL, называемый ограниченным протоколом двухфазной блокировки, предусматривает приостановку до конца транзакции освобождения только исключительных блокировок. В большинстве СУБД реализуется один из этих двух вариантов протокола 2PL.

Еще одна проблема, связанная с двухфазной блокировкой, может иметь место при любых схемах освобождения заблокированных элементов. Эта проблема носит название взаимоблокировки и является следствием того факта, что любая транзакция может быть переведена в состояние ожидания до освобождения требуемого ей элемента данных. Если две транзакции будут ожидать освобождения элементов, заблокированных другой транзакцией из этой же пары, то возникнет состояние взаимоблокировки. Кроме того, транзакции могут также входить в состояние активной блокировки, при которой они остаются в состоянии ожидания неопределенно долгое время и не имеют возможности устанавливать какие-либо новые блокировки, хотя в СУБД не наблюдается состояние взаимоблокировки. Эта ситуация возможна в случаях, когда алгоритм перевода транзакций в состояние ожидания не предоставляет равные условия всем транзакциям и не учитывает время, проведенное транзакциями в состоянии ожидания. Для предотвращения активной блокировки может использоваться система приоритетов, в которой приоритет транзакции тем выше, чем дольше она находится в состоянии ожидания. Например, для ожидающих транзакций может быть предусмотрена последовательная очередь, действующая по принципу "первым поступил, первым обслуживается".