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1 Techniken der Schedule-Realisierung T 1 T 2 T T n Isolations-Eigenschaft wird durch den Scheduler sichergestellt. Aufgabe: : Koordination des Ablaufs konkurrierender Transaktionen so, dass deren gemeinsame Historie zumindest serialisierbar ist! Techniken des Scheduling: "pessimistisch": sperrbasierte Synchronisation (in fast allen kommerziellen DBMS) zeitstempelbasierte Synchroni- sation "optimistisch": Protokollieren und ggf. Rücksetzen Transaktions-Manager Scheduler Daten-Manager Recovery-Manager Puffer-Manager Datenbank (Graphik nach Prof. Kemper) Informationssysteme 1

2 Sperrbasierte Synchronisation Grundprinzip der sperrbasierten Synchronisation: Transaktionen müssen benötigte Daten vor Zugriff durch Setzen einer Sperre (engl.: "lock", wörtlich: Schloss) als "Reservierungsvermerk" vor dem Zugriff anderer Transaktionen schützen. Sperrmodi: Lesesperre ("read lock") [symbolisch: S von engl. "shared" hared"] Wenn T i S-Sperre Sperre auf A besitzt, darf T i A lesen. Mehrere T. können S-Sperren S Sperren auf dasselbe A halten. Schreibsperre ("write lock") [symbolisch: X von engl. "exclusive" clusive"] Wenn T i X-Sperre auf A hat, ist für T i auch Schreiben erlaubt. Nur ein T i zur Zeit kann eine X-Sperre X für A halten. Verträglichkeitsmatrix für Sperranforderungen: mit NL ("no lock"): ungesperrt, : kann gewährt werden, : kann nicht gewährt werden S X NL S X angefor- dert gehalten Informationssysteme 2

3 Zwei-Phasen Phasen-Sperrprotokoll Die Serialisierbarkeit von Historien ist bei Einhaltung des sogenannten Zwei- Phasen-Sperrprotokolls (engl.: "two" phase locking, 2PL) durch den Scheduler gewährleistet. Prinzip: Jede Transaktion sperrt zunächst alle benötigten Daten ("lock phase") und gibt sie dann wieder nacheinander frei ("unlock phase") T i lock phase unlock phase commit zusätzliche "Spielregeln" Spielregeln": Alle von einer T. benutzten Daten müssen vorher gesperrt werden en! Eine T. "respektiert" Sperren anderer T. und wartet ggf.! Daten werden von einer T. nur einmal gesperrt! (verursacht u.u. längere Sperrzeiten) Am T.ende werden alle Sperren wieder gelöst! 2PL garantiert zwar Serialisierbarkeit,, vermeidet aber kaskadierendes Rück- setzen nicht und lässt sogar nicht-rücksetzbare Historien zu. Durch Verschärfen der "Spielregeln" lässt sich dieser Nachteil aber beheben ("strenges 2PL"). Informationssysteme 3

4 Sperranzahl bei Zwei-Phasen Phasen-Sperrprotokoll # Sperren Wachstum Schrumpfung Zeit Informationssysteme 4

5 2PL: Beispiel Schritt T 1 T 2 Bemerkung lockx(a) 3. read(a) 4. write(a) lockx(b) read(b) locks(a) T 2 muss warten, Lock wird noch nicht gewährt! T 2 blockiert 9. unlockx(a) T 2 wecken 10. read(a) 11. locks(b) T 2 muss warten 12. write(b) T 2 blockiert 13. unlockx(b) T 2 wecken 14. read(b) 15. commit 16. unlocks(a) 17. unlocks(b) 18. commit Informationssysteme 5

6 2PL: Beispiel (2) Schritt T 1 T 2 Bemerkung 1. 2PL verhindert kaskadierendes Rücksetzen nicht! lockx(a) read(a) write(a) 6. locks(a) T 2 muss warten 7. lockx(b) 8. read(b) Abhilfe: strenges 2PL Halten aller Sperren bis zum Transaktions- ende! (d.h.: keine "Schrumpfungsphase" mehr) unlockx(a) write(b) unlockx(b) Abbruch! commit read(a) locks(b) read(b) unlocks(a) T 2 wecken T 2 liest T"dirty " 2 muss warten data": T 2 muss ebenfalls zurückgesetzt werden T 2 wecken 17. unlocks(b) 18. commit Informationssysteme 6

7 Deadlockgefahr bei 2PL unvermeidliches Problem bei 2PL: Gefahr von unauflösbarem, wechselseitigen elseitigen Warten auf Freigabe von Sperren: Verklemmung (engl.: (engl.: ""deadlock") ") z.b.: T 1 blockiert Schrit t T 1 lockx(a) read(a) write(a) lockx(b)... T 2 locks(b) read(b) locks(a)... Bemerkung T 1 muss warten T 2 muss auf warten T 2 blockiert T 2 auf Deadlock T 1 Deadlock!! Informationssysteme 7

8 Erkennen und Vermeiden von Deadlocks Methoden zur Deadlock-Erkennung Erkennung: "time out"-strategie Strategie: automatisches Rücksetzen von Transaktionen, die eine bestimmte te maximale Wartezeit überschreiten Problem: Wahl einer "guten" Zeitschranke! Wartegraphen: Kante von T i nach T j T i wartet auf T j Wartegraph zyklisch Deadlock! verschiedene Strategien zur Auswahl der zurückzusetzenden Transaktion in einem Zyklus denkbar ("faire" Strategie erforderlich!) Methoden zur Deadlock-Vermeidung Vermeidung: "Preclaiming" (engl. to preclaim: : "voranfordern", reservieren) : Anfordern aller Sperren bereits bei setzt exaktes Vorwissen über benötigte Ressourcen voraus, daher oft unpraktikabel Zeitstempelvergabe (s. folgende Folie) Feinere Sperrgranularität und Sperrhierarchien: siehe Kemper 11.8 (Selbststudium) Informationssysteme 8

9 Verklemmungsvermeidung durch Zeitstempelvergabe Verklemmungen können dadurch vermieden werden, dass der Transaktions saktions- manager an jede Transaktion eindeutige Zeitstempel (engl.: "timestamps" timestamps") vergibt: TS(T i ) Warten auf Freigabe von Sperren ist dann nur unter bestimmten n Bedingungen zulässig. unterschiedliche Strategien: Falls T 1 auf unlock von T 2 wartet... "wound-wait"-strategie: Ältere Transaktionen verdrängen jüngere! if TS(T 1 ) < TS(T 2 ) then {Rücksetzen von T 2 } else {T 1 wartet weiter auf T 2 } "wait-die" die"-strategie: Ältere Transaktionen müssen immer länger warten! if TS(T 1 ) < TS(T 2 ) then {T 1 wartet weiter auf T 2 } else {Rücksetzen von T 1 } Beide Strategien garantieren Verklemmungsfreiheit, riskieren dafür aber das Rücksetzen zahlreicher Transaktionen, die (noch) gar nicht verklemmt sind. Informationssysteme 9

10 Zeitstempelbasierte Synchronisation Verwendung von Zeitstempeln für Transaktionen ermöglicht sogar eine Synchro- nisation,, die ganz ohne Sperren auskommt! Prinzip einer zeitstempelbasierten Synchronisation: garantiert Serialisierbarkeit und Deadlockfreiheit Lesen/Schreiben von Daten geschieht unter Markierung der Daten mit m dem Zeitstempel der jüngsten Transaktion, die das Datum gelesen/geschrieben geschrieben hat. Bei Zugriffsversuchen von T i auf Datum A: T i will A lesen: T i will A schreiben: if TS(T i ) < writets(a) then {Rücksetzen von T i } else {T i darf lesen und readts(a) :=: max(ts(t i ), readts(a))} if TS(T i ) < readts(a) TS(T i ) < writets(a) then {Rücksetzen von T i } else {T i darf schreiben und writets(a) :=: TS(T i )} Informationssysteme 10

11 Optimistische Synchronisation bisher betrachtete Synchronisierungsmethoden: "pessimistisch" pessimistisch", d.h. Konflikte werden als fast sicher erwartet und daher werden vorbeugende Maßnahmen ergriffen Alternative: "optimistische" Synchronisation,, d.h. Scheduler "beobachtet" Transaktionsausführung nur protokollierend Rücksetzen, falls am T.ende tatsächlich ein Konflikt erkannt wird Zahlreiche Varianten der optimistischen Synchronisation sind bekannt. Grundzüge einer solchen Variante: Einteilung einer T. in drei Phasen Lesephase: Einlesen von Daten in lokale Variablen Ändern von Daten zunächst nur in lokalen Variablen Validierungsphase: Entdecken von möglichen Konflikten wieder mittels Zeitstempeln (Details dazu s. Kemper 11.10); ; Rücksetzen bei Konfliktentdeckung Schreibphase: Übertragen geänderter Daten in DB, wenn T. konfliktfrei ablief Validierungs- und Schreibphase verschiedener T. müssen isoliert erfolgen! Informationssysteme 11

12 Synchronisation in SQL SQL bietet die Möglichkeit, selbst eine von vier Isolationsstufen für Transaktionen zu definieren, die regeln sollen, wie stark der T.manager die jeweilige T. von anderen isoliert. set settransaction [read only, only, read read write,] [isolation level Default-Einstellungen Einstellungen: level entsprechen der bisher diskutierte read read uncommitted, anspruchsvollsten (und sichersten) Variante 4 Stufen read read committed, repeatable read, serializable,],] [diagnostic size size...,]...,] Einstellen von "weniger anspruchsvollen" Isolationsstufen dient t zur Erhöhung des Grades an Parallelität (und damit der Effizienz), gefährdet aber bei fehler- hafter Verwendung die (physische) Konsistenz der Transaktion u.u. erheblich! Definition im Standard erfolgt sehr vage - Details s. Kemper Informationssysteme 12

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