7.5. Синхронизация в System r

System R с самого начала задумывалась как многопользовательская система, обеспечивающая режим мультидоступа к базам данных. Поэтому вопросам синхронизации доступа всегда уделялось очень большое внимание. Разработчики System R сформулировали и частично решили много проблем синхронизации, соответствующие публикации давно стали классикой, и на них ссылаются практически во всех работах, связанных с синхронизацией в системах управления базами данных. Мы постараемся привести историческую ретроспективу решений в области синхронизации в System R. Предварительно заметим, что вопросы синхронизации находятся в тесной связи с вопросами журнализации изменений и восстановления состояния базы данных.

Начнем с рассмотрения целей, которыми руководствовались разработчики System R при выработке своего подхода к синхронизации. Дело в том, что начальной целью синхронизации операций было не обеспечение изолированности пользователей, а поддержка средств обеспечения логической целостности баз данных. Как мы отмечали во введении, логическая целостность баз данных System R поддерживается на основе наличия ранее сформулированных и запомненных в каталогах базы данных ограничений целостности. В конце каждой транзакции или при выполнении явного предложения SQL проверяется ненарушение ограничений целостности изменениями, произведенными в данной транзакции. Если обнаруживается нарушение ограничений целостности, то с помощью операции RSS RESTORE производится откат транзакции, нарушившей ограничения.

Для того, чтобы можно было корректно выполнить такой откат, необходимо, чтобы до конца транзакции объекты базы данных, изменявшиеся транзакцией, не могли изменяться другими транзакциями. В противном случае возникает так называемая проблема потерянных изменений. Действительно, пусть транзакция 1 изменяет некоторый объект базы данных A. Затем другая транзакция 2 также изменяет объект A, после чего производится откат транзакции 1 (по причине, например, нарушения ей ограничений целостности). Тогда при следующем чтении объекта A транзакция 2 увидит его состояние, отличное от того, в которое он перешел в результате его изменения транзакцией 2.

Исходным постулатом System R было то, что потерянные изменения допускать нельзя, и обеспечение этого являлось минимальным требованием к системе синхронизации. Соответствующий режим выполнения транзакций называется в System R первым уровнем совместимости транзакций. Это наиболее низкий уровень синхронизации, вызывающий минимальные накладные расходы в системе. Технически синхронизация на первом уровне совместимости предполагает долговременные (до конца транзакции) синхронизационные захваты изменяемых объектов базы данных и отсутствие каких-либо захватов для читаемых объектов.

С точки зрения обеспечения логической целостности баз данных первый уровень совместимости вполне удовлетворителен, но вызывает некоторые проблемы внутри транзакций. Основная проблема - возможность чтения грязных данных. Действительно, читающая транзакция абсолютно не синхронизуется с изменяющими транзакциями, и поэтому в ней может быть прочитано некоторое промежуточное с логической точки зрения состояние объекта (мы подчеркиваем, что "грязным" объект может быть только на логическом уровне; физическую согласованность в базе данных поддерживает другой, "физический" уровень синхронизации RSS, на котором мы остановимся позже). Следующий, второй уровень совместимости транзакций System R обеспечивает отсутствие грязных данных. Технически синхронизация на втором уровне совместимости предполагает долговременные синхронизационные захваты (до конца транзакции) изменяемых объектов и кратковременные (на время выполнения операции) захваты читаемых объектов.

Второй уровень совместимости транзакций System R гарантирует отсутствие грязных данных, но не свободен от еще одной проблемы - неповторяющихся чтений. Если транзакция два раза (подряд или с некоторым временным промежутком) читает один и тот же объект базы данных, то состояние этого объекта может быть разным при разных чтениях, поскольку в промежутке между ними (а он может возникнуть, даже если чтения идут в транзакции подряд) другая транзакция может модифицировать объект. Эту проблему решает третий уровень совместимости транзакций System R, являющийся тем самым уровнем максимальной изолированности пользователей, о котором мы говорили раньше. Технически синхронизация на третьем уровне совместимости предполагает долговременные (до конца транзакции) синхронизационные захваты всех объектов, читаемых и изменяемых в данной транзакции.

В начальных версиях System R обеспечивались все перечисленные уровни совместимости транзакций. Соответственно, существовали параметры операции RSS BEGIN TRANSACTION, определявшие уровень совместимости данной транзакции. Однако, уже первый опыт использования System R показал, что наиболее применительным является третий уровень совместимости. При этом существовали приложения, которые устраивал первый уровень (в основном, приложения, связанные со статистической обработкой, в которых ошибки "грязных" данных исправлялись за счет большого числа чтений). Второй уровень совместимости оказался практически неприменимым. В результате в последних версиях разработчики оставили только третий уровень совместимости, и далее мы будем иметь в виду только его.

Поскольку интерфейс RSS - покортежный, то логично производить синхронизацию в RSS именно на уровне кортежей или, вернее, их уникальных идентификаторов - tid'ов. Заметим, однако, что если две или более транзакций читают один кортеж, то с точки зрения синхронизации это вполне допустимо, а если хотя бы одна транзакция изменяет кортеж, то она должна блокировать все остальные транзакции, выполняющие операции чтения или изменения данного кортежа. Из этого следует потребность в двух разных режимах захватов кортежей - совместном режиме (для чтения) и монопольном (для изменений). Следуя терминологии System R, далее мы будем называть эти режимы режимом S (совместным) и режимом X (монопольным). Естественно формулируются правила совместимости захватов одного объекта в режимах S и X: захват режима S совместим с захватом режима S и несовместим с захватом режима X; захват режима X несовместим с захватом любого режима.

Соответственно, при чтении кортежа RSS прежде всего устанавливает захват этого кортежа в режиме S; при вставке, удалении или модификации кортежа - в режиме X. Если к этому моменту кортеж захвачен от имени другой транзакции в режиме, несовместимом с требуемым, транзакция, обратившаяся к RSS, блокируется, и требование захвата кортежа ставится в очередь до тех пор, пока не возникнут условия удовлетворения требуемого захвата, т.е. не будут сняты конфликтующие захваты с кортежа.

В принципе режим покортежных захватов достаточен для удовлетворения требований, ранее сформулированных в этом подразделе. Следует отметить, что большинство реляционных систем баз данных и ограничиваются покортежными (или даже более грубыми постраничными) захватами. Тем не менее в контексте System R синхронизация такого типа недостаточна.

Основной проблемой является возможность появления кортежей-фантомов при повторных сканированиях отношений в одной транзакции (даже на третьем уровне совместимости). Действительно, после первого сканирования все прочитанные кортежи будут захвачены в режиме S, из-за чего никакая другая транзакция не сможет удалить или модифицировать такие кортежи. Но ничто не мешает вставить в другой транзакции в то же отношение новый кортеж, значения полей которого удовлетворяют условиям сканирования первой транзакции. Тогда при повторном сканировании того же отношения с теми же условиями сканирования будет прочитан кортеж, которого не было при первом сканировании, т.е. появится кортеж-фантом.

Был предложен подход к решению проблемы фантомов на основе так называемых предикатных захватов. Идея подхода состоит в том, что при сканировании следует на самом деле захватывать не индивидуальные прочитанные кортежи, а все виртуальное множество кортежей, которые могли бы быть прочитаны при данном сканировании. Для этого достаточно "захватить" условие (предикат), которому должны удовлетворять все кортежи при данном сканировании. Например, если должны быть прочитаны кортежи отношения со значением поля a > 5, то захватывается предикат a > 5. Если некоторая другая транзакция выполняет операцию, например, вставки в то же отношение кортежа со значением поля a > 5, то предикатный захват, предшествующий реальному выполнению этой операции, должен конфликтовать с захватом первой транзакции и т.д.

Естественно, что чем более точно формулируется предикат, тем больше реальная параллельность выполнения транзакций в системе с предикатными захватами. С этой точки зрения наибольшего уровня асинхронности можно было бы достичь, если допустить использование в качестве синхронизационных предикатов условий выборки, удаления или модификации языка SQL (или другого языка запросов высокого уровня). Но с другой стороны, чем более общий вид предикатов допускается, тем сложнее становится проблема обнаружения совместимости соответствующих захватов. Достаточно легко реализуется система предикатных захватов, в которой предикаты представляют собой логические выражения, состоящие из простых предикатов сравнения полей отношения с константными значениями. Разработчики System R не пошли и на такую систему, но некоторые идеи предикатных захватов использовали.

При наличии только покортежных захватов неясным остается вопрос синхронизации в RSS покортежных операций и операций создания и уничтожения отношений и индексов, и добавления полей к существующему отношению. Непонятно, как сочетать покортежные захваты с возможность явного захвата отношения и т.д. Очевидно, что общая система предикатных захватов такие проблемы снимает, но как мы уже отмечали, разработчики System R не пошли на ее реализацию. Вместо этого был разработан протокол иерархических гранулированных захватов (с некоторыми элементами предикатных захватов).

Основная идея состоит в том, что имеется некоторая иерархия памяти хранения кортежей: сегмент-отношение-кортеж. Объекты каждого уровня иерархии могут быть захвачены. Кроме того, можно захватывать указанный диапазон значений любого индекса. Набор возможных режимов захватов расширяется так называемыми целевыми (intented) захватами. Семантически целевой захват "сложного" объекта (сегмента или отношения) означает намерение данной транзакции устанавливать целевые или обычные захваты на более низком уровне иерархии. Введены следующие типы целевых захватов: IX (intented to X), IS (intented to S) и SIX (shared, intented to X).

Захват объекта в режиме IX соответствует намерению транзакции производить захваты объектов ниже по иерархии в режимах IX или X. Захват объекта в режиме IS соответствует намерению транзакции производить захваты объектов ниже по иерархии в режимах IS или S. Наконец, захват объекта в режиме SIX соответствует захвату объекта в режиме S и намерению транзакции захватывать объекты ниже по иерархии в режиме X. Из этого следуют следующие правила совместимости захватов разных режимов:

X

S

IX

IS

X

нет

нет

нет

нет

S

нет

да

нет

да

IX

нет

нет

да

да

IS

нет

да

да

да

SIX

нет

нет

нет

да

Протокол синхронизации с использованием перечисленных режимов захватов следующий: чтобы захватить объект (например, кортеж отношения) в режиме S (X), нужно предварительно установить захваты в режиме IS (IX) соответствующих объектов выше по иерархии (в случае захвата кортежа - сегмента и отношения); при этом захваты должны устанавливаться, начиная от корня иерархии (в нашем случае - сначала для сегмента, затем для отношения и только потом для кортежа).

Очевидно, что протокол иерархических захватов решает проблему совместимости глобальных захватов сложного объекта (например, захватов отношения в режиме S) с захватами подобъектов этого объекта (кортежей). Но также очевидно, что протокол, вообще говоря, не решает проблему фантомов. Если отношение сканируется без использования индекса, то отсутствие фантомов можно гарантировать, если предварительно захватить все отношение в режиме S. Тогда, в соответствии с иерархическим протоколом, никакая другая транзакция не сможет занести в это отношение новый кортеж, потому что она будет блокирована при попытке захватить отношение в режиме IX (захваты отношения в режимах S и IX несовместимы). Можно, конечно, захватывать все отношение и при сканировании с использованием индекса. Таким образом можно решить проблему фантомов, но это очень неэффективное решение, потому что оно резко ограничивает возможности параллельного выполнения транзакций. Любая только читающая отношение транзакция конфликтует с любой транзакций, изменяющей это отношение. С другой стороны, в RSS при сканировании отношения по индексу имеется дополнительная информация (диапазон сканирования), которая ограничивает множество кортежей, среди которых не должны возникать фантомы.

Исходя из этих соображений, было предложено ввести в систему синхронизации элементы предикатных захватов. Заметим сначала, что технически захваты сегментов, отношений и кортежей трактуются единообразно, как захваты tid'ов. При захвате кортежа на самом деле захватывается его tid. При захвате сегмента или отношения на самом деле захватывается tid описателя соответствующего объекта во внутренних отношениях описателей таких объектов (сегментов и отношений). Предлагалось расширить систему синхронизации, разрешив применять захваты к паре идентификатор индекса - интервал значений ключа этого индекса. К такой паре разрешено применять захваты в любом из допустимых режимов, причем два захвата совместимы в том и только в том случае, если они совместимы в соответствии с приведенной выше таблицей, или указанные диапазоны значений ключей не пересекаются.

При наличии такой возможности, если открывается сканирование отношения по индексу, отношение захватывается в режиме IS, и в этом же режиме захватывается пара идентификатор индекса - диапазон сканирования. При занесении (удалении) кортежа отношение захватывается в режиме IX, и в этом же режиме для каждого индекса, определенного на данном отношении, захватывается пара идентификатор индекса - значение ключа из затрагиваемого операцией кортежа. Тогда читающие транзакции реально конфликтуют только с теми изменяющими транзакциями, которые затрагивают диапазон сканирования. При этом решается проблема фантомов, и асинхронность транзакций ограничивается "по существу", т.е. только тогда, когда их параллельное выполнение создает проблемы.

Заметим сразу, что описанное решение проблем синхронизации далеко от идеального. Во-первых, по-прежнему при сканировании отношения без использования индексов отсутствие фантомов можно гарантировать только при полном захвате всего отношения в режиме S. Во-вторых, даже при сканировании по индексу условие реальной выборки кортежа часто может быть строже простого указания диапазона сканирования, а это значит, что требуемый захват слишком сильный, т.е. охватывает более широкое множество кортежей, чем то, которое будет реальным результатом сканирования.

Видимо, по этим причинам, а также по причинам требуемого усложнения системы синхронизации, описанные средства борьбы с фантомами не были реализованы в System R (по крайней мере, это следует из заключительных публикаций). Более того, в силу половинчатости этого решения и слишком большого ограничения степени асинхронности разработчики отказались и от неявных захватов отношения в режиме S при сканировании без использования индексов. (Напомним, что возможность явного захвата целиком отношения осталась). Тем самым, System R не гарантирует отсутствие фантомов при повторном сканировании отношения.

Опыт System R в области синхронизации оказал очень большое влияние на разработчиков реляционных СУБД во всем мире. Особенно это касается предложений по части предикатных захватов. В ряде существующих или проектируемых СУБД предикатные захваты составляют основу системы синхронизации, которая, конечно, при этом становится существенно более сложной, чем в System R.

В заключение данного подраздела кратко упомянем о еще одном уровне синхронизации, присутствующем в RSS, - уровне физической синхронизации. Мы уже отмечали, что после выполнения любой операции RSS оставляет базу данных в физически согласованном виде. Это означает, в частности, корректность всех межстраничных ссылок. Примерами таких ссылок могут быть ссылки между станицами B-деревьев индексов и т.д. Во время выполнения операций изменения (занесения, модификации или удаления кортежа) может возникать временная некорректность состояния страниц данных. Для того, чтобы каждая операция при начале своего выполнения имела корректную информацию, необходима дополнительная кратковременная синхронизация на уровне страниц. На время выполнения операции все необходимые страницы захватываются в режиме чтения или изменения. Захваты снимаются при окончании выполнения операции.

И последнее замечание. При синхронизации транзакций могут возникнуть тупиковые ситуации, когда две или более транзакции не могут продолжать свое выполнение по причине взаимных блокировок. RSS не предпринимает каких-либо действий по предотвращению тупиков. Вместо этого периодически проверяется состояние системы захватов на предмет обнаружения тупика, и если тупик обнаруживается, выбираются одна или несколько транзакций - жертв, для которых инициируется откат к началу или к ближайшей точке сохранения транзакции, гарантирующий разрушение тупика (при откате транзакции ее синхрозахваты снимаются). Выбор жертвы производится в соответствии с критериями минимальной стоимости проделанной транзакцией работы, которую придется повторить после отката. Мы не будем более подробно рассматривать схемы обнаружения и разрушения тупиков. Заметим лишь, что при обнаружении тупика применяется широко распространенная техника редукции графа ожидания с целью обнаружения в нем циклов, наличие которых и свидетельствует о наличии тупика.