数据库事务相关理论知识

基本概念

什么是事务

事务（transaction）是构成单一逻辑工作单元的操作集合。是访问并可能更新各种数据项的一个程序执行单元。

事务ACID特性

原子性（atomicity）

事务操作在数据库中要么全部正确反映出来，要么完全不反映。

一致性（consistency）

隔离执行事务时，保持数据库一致性。

隔离性（isolation）

事务并发执行时，每个事物感觉不到其他事务在并发执行。

持久性（duration）

一个事务成功完成后，它对数据库的改变必须是永久的。

存储结构

稳定存储器：
信息永远不会丢失
非易失存储器：
系统奔溃后还存在（磁盘）
易失存储器：
系统奔溃后丢失（内存）

串行化

冲突调度：
当两个事务I,J在相同的数据操作，二者至少一个含write指令，那么I和J是冲突的，二者交换属于冲突调度。
等价冲突：
调度S进过一系列非冲突指令交换成S’，称S和S’是等价冲突的。
冲突可串行化：
如果调度S和一个串行调度是冲突等价的，那么S是冲突可串行化的。
优先图：
如果T1,T2的读写、写读、写写事务都是T1在前，T2在后；那么T1–>T2。如果优先图有环，那就不是冲突可串行化的，反之则是。

调度

可恢复调度：
如果T1读取了T2所写的数据，那么T2应该先于T1提交，否则不满足可恢复调度。
无级联调度：
单个事务故障导致一系列事务回滚称为级联回滚，调度避免无级回滚称为无级联调度。

隔离级别及实现方式

读未提交

允许事务读到未提交的数据，会发生脏读（读取到没有提交的数据）

读已提交

只允许读已提交的数据，会发生不可重复读（事务两次读取一个数据，中间有一个事务更新了数据导致两次读取不一样）

可重复读

只允许读取已提交的数据，并且两次读取同一数据期间不允许其他事务更新该数据；会发生幻读（事务两次读取一个数据集，一个事务做了新增操作，结果第二次读取多了几条数据）

可串行化

保证串行化调度

实现方式

锁：
共享锁：读事务
排它锁：写事务
时间戳：
按照事务时间戳来串行访问数据项。
多版本和快照隔离（si）：
事务通过快照操作数据，提交后才会将更新写入数据库。

并发控制

锁（悲观）

分类：共享锁、排它锁，可以通过升级降级转换
两阶段封锁协议：增长阶段只能获得锁，缩减阶段只能释放锁
严格两阶段封锁协议：事务持有的所有排它锁必须在事务提交后释放
强两阶段封锁协议：事务提交前不能释放任何锁
实现方式：锁表（排队）和图协议（必须获得父锁才能获得子锁）
死锁处理：
预防：
1、一次全部封锁，给数据加次序；
2、抢占与事务回滚：wait-die机制，T1申请的数据项被T2持有，T1时间戳较小（老），则T1等待，否则T1回滚，即先来的可以等后来的释放锁，后来的发现没锁拿就死亡；wound-wait机制，先来者发现锁被后来者持有，就抢过来并且杀死后来者事务，后来者发现锁被先来者持有就等待。
3、超时：等待时间超过一段时间后回滚，但是应用有限
检测：
通过等待图有无环来判断，T1–>T2代表T1等待T2释放锁
恢复：
1.选择牺牲者：回滚最小代价事务，通过时长，数据项，涉及其他事务等等因素判断
2.回滚：彻底回滚或者部分回滚
3.饿死：设置回滚次数上限，防止某一事务一直回滚被饿死
多粒度：
方便给数据集加锁，不用一个一个去加，对一个数据显式加锁，其他依赖的数据会被隐式加锁。加锁需要遵循多粒度封锁协议，根据树状图依次加锁（IS S IX X SIX）

时间戳（悲观）

时间戳小代表事务靠前，大的代表事务靠后。
时间戳排序协议：
1.假设事务T1发出read(Q),如果TS(T1)<W-timestamp(Q)，那么T1回滚，如果TS(T1)>=W-timestamp(Q)，则执行更新R-timestamp为最大值。
2.假设事务T1发出write(Q),如果T1(T1)<R-timestamp(Q)或者T1(T1)<W-timestamp(Q)，T1都会回滚，否则T1执行并且更新更新W-timestamp为最大值。
Thomas写规则：
1.当T1发出write(Q)，如果TS(T1)<R-timestamp(Q),T1回滚和之前一样
2.如果TS(T1)<W-timestamp(Q)，则忽略T1（区别所在）
3.其他的情况执行T1并把W-timestamp(Q)设置为TS(T1)

有效性检查（乐观）

三个阶段：
读阶段（start）：数据项值被读入并保存在T1的局部变量中。
有效性检查阶段（validation）：判断是否可以执行write操作
写阶段（finish）：临时的局部变量值被复制到数据库中
有效性测试：
事务被要求满足TS(T1)<TS(T2)情况T1必须满足下列条件之一：1.finish(T1)<start(T2)。2.T1所写的数据项集与T2数据项集不相交，且T1的写阶段开T2开始有效性检查开始之前完成（start(T2)<finish(T1)<validation(T2)）

多版本机制

事务write(Q)操作可以创建一个Q的新版本，当发出其他事务发出read(Q)操作时，可以选择一个版本读取以保证串行性。
时间戳排序
每个数据项包含三个数据字段：content、W-timestamp、R-timestamp
Qk写时间戳小于等于TS(T1)的最大写时间戳：1.如果事务T1发出read(Q)，则返回Qk的内容。2.如果事务T1发出write(Q)，且若TS(T1)<R-timestamp(Qk),则事务回滚；若TS(T1)=W-timestamp(Qk)，则覆盖Qk的内容；若TS(T1)>R-timestamp(Q)，则创建新版本。简而言之，先于回滚同时覆盖后于新建。
两阶段封锁
数据项每个按本有一个时间戳（ts-counter）。只读事务遵循时间戳排序协议，返回小于该事务最大时间戳版本内容。更新事务先获取排它锁，再创建一个新版本，新版本时间戳为∞，等更新完成后，时间戳变为ts-counter+1