|
|
数据库应用中并发控制若干实现途径
张在建
一．引言
并发控制是指在多用户的环境下，对数据库进行并发操作进行规范的机制。其目的是为了避免对数据的丢失修改、读脏数据与不可重复读等，从而保证数据的正确性与一致性。并发控制在多用户的模式下是十分重要的，但这一点经常被一些数据库开发人员忽视，而且因为并发控制的层次和类型非常丰富，有时使人在选择时比较迷惑，不清楚衡量并发控制层次选择的原则和途径。本文将从一个例子入手，结合数据库理论的相关知识，对数据库应用中并发控制的途径、方法做出一个较全面的总结，希望能帮助读者找到合理的并发控制方法。
二．一个并发控制失败的例子
为了更好的理解并发控制的概念，我们先重复一个经常列举的例子。先给出银行数据库中一个经过简化的帐户表(account)信息的数据字典定义，以后我们都将会以此表作为示例。
列名称 列代码 列类型
帐户号 Id（键值列） Char(10)
户主 Uname Char(10)
存入金额 Mdeposit Currency
支出金额 Mpayout Currency
存款余额 Mbalance Currency
这个例子是在客户程序与服务器端数据库的会话过程中产生的：某户主代表在银行前台取款2,000元,银行出纳查询用户的存款信息显示银行存款余额20,000元;正在这时,另一银行帐户转帐支票支付该帐户5,000元,机器查询也得到当前用户存款20,000元,这时银行的出纳员看到用户存款超过了取款额,就支付了客户2,000元并将用户存款改为18,000元,然后银行的另一名操作员根据支票,将汇入的5,000元加上,把用户的余额改为25,000元。很明显银行将会损失2000元，因为另一个出纳员所做的修改被覆盖了。
这是由于对并发操作控制的失败造成的，由于没有对两个并发操作进行合理的隔离，对数据进行合理的锁定，导致经出纳员查询所得到的客户端数据集与数据库的数据出现不一致，结果便产生了丢失修改。
三．数据库并发控制理论基础
在此对并发控制中经常用到的概念略做解释，具体内容请读者查资料。事务是数据库中一个重要概念，它是一系列要么都做，要么都不做的程序集合，是数据库并发控制的单位。事务并发控制不当的话，可以产生丢失修改、读脏数据、不可重复读等数据不一致。但在应用中为了并发度的提高，可以容忍一些这样的不一致，例如大多数业务逻辑经适当的调整以后是可以容忍不可重复读的。当今流行的关系数据库系统（如oracle，sql server等）是通过事务隔离级别（TRANSACTION ISOLATION LEVEL）与封锁机制来定义并发控制所要达到的目标的，根据其提供的协议，我们可以得到几乎任何类型的合理的并发控制方式。例如，Microsoft sql server系统中有四种锁：共享锁，排它锁，意向锁（又分为共享意向锁，排它意向锁，共享意向排它锁），修改锁。各种锁之间有确定的相容关系。有四种事务隔离级别：未提交读、提交读、可重复读、串行化读，不同的隔离级别所规定的封锁协议不同。这一部分内容非常之丰富，足足可以写一本书，篇幅所限，不拟细述，有关内容请查阅数据库理论方面的教材。
封锁类型与隔离级别如此之丰富，那么选择时到底本着一个什么原则呢？那就是数据一致性要求与并发度两个方面。例如四种隔离级别数据一致性依次升高，但并发度依次降低，一般系统默认的隔离级别是提交读。一般来说这可以满足应用的要求了，但这种隔离级别不能避免不可重复读的现象，就是说在你浏览数据库记录的期间，不同时间读的同一条记录可以有不同的内容。有时需要动态的通过sql语句来改变其封锁状态或者隔离级别。
四．并发控制技术的实现途径
并发控制的实现途径有多种，如果DBMS支持的话，当然最好是运用其自身的并发控制能力。如果系统不能提供这样的功能，可以借助开发工具的支持，还可以考虑调整数据库应用程序，而且有的时候可以通过调整工作模式来避开这种会影响效率的并发操作。笔者对各种策略做了一个总结，主要有一下几点：
（一）调整工作模式，修改应用程序，避免不必要的并发。
这在某些情况下是可行的，例如规定录入人员只能修改自己所创造的记录，那么就不会出现并发操作中的各种错误，因为这时各个不同的用户所能更新的记录不会发生重合。这种情况下，需要在数据库表中增加用户列。在用户浏览记录时，将用户列作为一个过滤条件，对应用程序的sql语句做相应的调整。但这种策略的作用有限，因为在大量情况下，并发控制不可避免。
（二）借助于DBMS的功能。
大型关系系统都有比较好的并发控制功能。例如可以采用更新游标、显式加锁、更改事务隔离级别等等。当然在其使用方面有很多注意的技巧，如：（1）事务定义最好不要包含客户交互部分。（2）只有在数据一致性要求特别严格，但并发度要求不高的时候采用可重复读与可串行读的隔离级别。（3）在同一个事务当中，要适当根据需要来变更数据的锁定级别，但一般情况下不要用TABLOCK这样粗粒度的封锁。（4）不同事务之间可以根据并发度的需要来显式设定隔离级别。（5）在包含客户交互的操作中使用游标，并尽可能缩短交互时间。
我们看一个informix数据库中采用更新游标的例子。定义更新游标语法：DECLARE CURSOR-name CURSOR FOR SELECT-statement FOR UPDATE[OF column-list]。更新游标在完成数据的浏览和修改时，要对当前的记录隐式加锁，注意更新游标只对可更新视图有效。为了提高并发度，经常要结合滚动游标来使用，滚动游标定义方法：DECLARE CURSORname SCROLL CURSOR[with hold] FOR SELECTstatement），不过滚动游标不对当前的记录加锁。
下段代码完成客户对帐户内容的浏览和修改，代码采用informix的esql/c（以c语言作为宿主语言）来编写，展示了更新游标的使用方法：
$DECLARE mycurs CURSOR FOR SELECT Mdeposit,Mpayout,Mbalance FROM acount FOR UPDATE; //定义更新游标
$OPEN mycurs; //打开游标
for(;
{$FETCH mycurs INTO $ Mdeposit,$Mpayout,$Mbalance;// 从游标中读记录
if sqlcode=SQLNOTFOUND then exit;//如果记录取完，则退出循环
….//显示记录内容给用户
….//如果用户决定要修改记录，则继续执行
$UPDATE acount SET (Mdeposit,Mpayout,Mbalance)=
($Mdeposit,$Mpayout,$Mbalance) WHERE CURRENT of mycurs;//更新数值
}
带有FOR UPDATE的游标语句有加锁功能。看上面的代码，在进行FETCH操作以后，游标所指向的当前记录被加共享锁，当用户决定要修改时，将该记录上的锁提升为排它锁。那么此时其它用户不可以更新此记录。这种方法有个缺点，就是即使用户不对当前记录进行修改，也要对当前的记录加锁，影响了并发度，那么此时可以采用的一个方法是：（1）定义一个滚动游标来完成查询；（2）获取游标的一个记录，显示给用户；（2）用户浏览记录，直到要修改或者删除的记录；（3）当用户选择修改一个记录时，为用户想要修改的记录定义一个更新游标（4）使用更新游标获取记录，并重新显示锁定的记录；（5）更新这个记录。那么上面的程序就可以更改为：
$DECLARE mycurs SCROLL CURSOR for SELECT Id, Mdeposit,Mpayout,Mbalance FROM acount;//定义滚动游标
$OPEN mycurs//打开滚动游标
for(;
{$FETCH mycurs INTO $Id,$Mdeposit,$Mpayout,$Mbalance; //从游标中读取记录值
if sqlcode=SQLNOTFOUND then exit; //如果读完，退出循环
….//显示记录内容给用户看
….//如果用户决定要修改记录，则继续执行
$DECLARE mycurs_update CURSOR FOR SELECT Mdeposit,Mpayout,Mbalance
FROM Acount WHERE Id=$Id; //定义更新游标
$FETCH mycurs_UPDATE INTO $Mdeposit,$Mpayout,$Mbalance; //读取数值
$UPDATE acount SET (Mdeposit,Mpayout,Mbalance)= ( $Mdeposit,$Mpayout,$Mbalance)
WHERE CURRENT of mycurs_update; //更新数值
（三）利用开发工具的支持。
许多数据库开发工具都有一些方便的选项或部件来支持并发控制，而不论DBMS是否支持并发控制。我们看一下Delphi与Powerbuilder的并发控制方法。
Delphi是一个优秀的c/s开发工具，它用来查询数据的数据库控件是TQuery，它可以和TUpdatesql控件有机的结合起来完成数据库表数据的浏览和更新。其中在TQuery控件中有一个属性是Updatemod（修改模式），他有三种选择：（1）upWhereAll：在浏览和修改期间只要有人修改了此记录某个列，那么不管你是否修改过这个列，你的修改在提交时都不能成功。（2）upWhereChanged：只根据键值列和你已经修改的列来决定你的修改是否成功，如果别人所修改的本记录的列与你修改的列不相交，那么你的修改仍然是成功的。（3）UpWhereOnly：只根据键值是否修改来判断你的更新是否成功。
与TQuery控件配套使用的TUpdatesql控件根据所指定的修改属性，自动生成所需的更新语句，非常方便。第2种模式是最常用的修改模式，只要别人对记录所做的修改不与自己的重合，那么就会提交成功，这即保证不会发生数据的丢失、覆盖，并且具有较高的并发度。还是上边的例子，比如说客户浏览记录后修改的是记录中Mpayout、Mbalance两列，那么在修改选项upWhereChanged下，Tupdatesql控件所生成的SQL语句是：
UPDATE acount SET (Mpayout,Mbalance)=($Mpayout,$Mbalance)
WHERE Key=Key_old and Mpayout=Mpayout_old and Mbalance=Mbalance_old;
其中Key_old,Mpayout_old和Mbalance_old是delphi替用户所生成的中间变量，暂存原先数据记录的旧值，用于比较旧值与现在的值是否相等，如果不相等，说明已经有别的用户更改了该记录，那么为了避免丢失修改，该用户的更新操作不能完成，反之则可以完成。那么当出纳员修改帐户时，如果别人已经修改了这个帐户，那么他的这次修改是不成功的，必须重新刷新记录才可能成功修改。对上面的例子进行这种改造，就可以避免银行的损失。
与Delphi媲美的一个另一个工具是著名的Powerbuilder，在其DataWindows的设计中,我们选择菜单Rows|Update…,会出现Specify Update Characteristics的设置窗口,在这个窗口中我们设置Update语句中Where子句的生成,以此来进行并发控制。在这里有三个选项： (1)Key Columns:生成的Where子句中只比较表中的主键列的值与最初查询时是否相同来确定要修改的记录。与Delphi中的UpWhereOnly选项对应。 (2)Key and Updateable Columns:生成的Where子句比较表中主键列和可修改列的值与最初查询时否是相同。与Delphi的upWhereall相对应。 (3)Key and Modified Columns：与Delphi的upWhereChanged选项对应。Where子句比较主键和要修改的列。
（四）调整应用。
有的数据库没有提供并发控制的功能，例如Foxpro等,象Mysql的某些版本也不支持事务。而且有的开发工具（例如一些网页脚本编辑器等）也没有提供实现并发控制的部件，那么要实现并发控制，就只能借助于调整我们的应用程序和数据库结构的办法了。
可以按照封锁的基本思想来调整应用。在需要进行并发控制的数据库表中增加一个锁字段，这个字段可以是一个布尔型变量，为true则为锁定，为false则为空闲。此时表的结构变为：
列名称 列代码 列类型
帐户号 Id（键值列） Char(10)
户主 Uname Char（10）
存入金额 Mdeposit Currency
支出金额 Mpayout Currency
存款余额 Mbalance Currency
锁 Lock Boolean
如果一个应用中，客户查询这个表时，可以修改表的记录，那么为了防止别的客户在该用户编辑某记录期间修改这个记录，那么就需要客户在浏览到该记录的数据时，给该记录加上锁（即将锁字段改为true），修改完毕后释放锁（将锁字段改为false）。别的客户要修改这个表的记录的话就先检测一下该记录有没有被加锁，如果已经加锁，则不能进行修改。如果锁字段空闲，那么首先给该记录加锁，然后取记录给客户浏览、编辑，在此期间别的客户不能修改记录。这就很有效的防止了丢失修改。
上面是一种常用的方法，但是也不是完全没有缺点，它可能会产生这样一种副作用：当一个用户决定修改一个记录时，该记录被锁定，等待用户修改，但此时正好用户离开了，那么这条记录将一直被锁定直到用户提交（可能是几个小时之后了）或者会话超时，那么在这一段时间内别的用户就不可以更改这一条记录，导致并发度很低。有一个绕过这个问题的解决办法就是将浏览到的记录记到old_record（自定义的变量）中，再将old_record的内容拷贝到一个新记录new_record（自定义的变量）中，用户编辑new_record，当提交new_record时比较old_record和原先的记录，如果不一样，则表明已经有用户修改了原先的记录，此时把对new_record做的修改放弃；反之则将其内容提交。
上边的方法还有一个小小的不足：在做新旧记录的比较的时候必须比较整条记录，费时间而且程序写起来比较麻烦。可以考虑在原先的表中增添一个时间戳列（此时可以取消lock列），那么此时表的结构变为：
列名称 列代码 列类型
帐户号 Id（键值列） Char(10)
户主 Uname Char（10）
存入金额 Mdeposit Currency
支出金额 Mpayout Currency
存款余额 Mbalance Currency
时间戳 Date Datetime
当浏览记录时将时间戳值记到old_date（自定义变量）中，再将记录内容记到一个新记录new_record中，用户编辑new_record，当提交new_record时比较old_date和原先的记录中的时间戳，如果不一样，则表明已经有用户修改了原先的记录，此时把对new_record做的修改放弃；反之则将其内容提交。更新语句为：
UPDATE acount SET (Mpayout,Mbalance,Date)=($Mpayout,$Mbalance,$Date)
WHERE Key=Key_old and Date=$Date_old;
五．总结
我们通常说的并发控制是指在DBMS（数据库管理系统）内部进行的并发控制。而并发控制的方法非常丰富,远不止此。可以借助于数据库本身的能力，也可以利用开发工具，还可以通过调整自己的程序来实现。在数据库应用中，进行并发控制的方法、实现途径多种多样。在选择时所依据的基本原则就是：数据一致性一定要合乎应用的需要，在此基础上，尽量提高并发度。 |
|
楼主: ccwlm741212
IP卡
狗仔卡
楼主
显身卡
发表于 2003-11-24 02:03
辛苦了。
发表于 2003-12-1 16:59
