并发控制-课后答案.doc

第八章 并发控制
习题解答和解析
1. 1.     在数据库中为什么要并发控制?
答：数据库是共享资源,通常有许多个事务同时在运行。当多个事务并发地存取数据库时就会产生同时读取和/或修改同一数据的情况。若对并发操作不加控制就可能会存取和存储不正确的数据,破坏数据库的一致性。所以数据库管理系统必须提供并发控制机制。
2. 2.     并发操作可能会产生哪几类数据不一致?用什么方法能避免各种不一致的情况?
答：并发操作带来的数据不一致性包括三类：丢失修改、不可重复读和读"脏"数据。
(1)丢失修改(Lost Update)两个事务T1和T2读入同一数据并修改,T2提交的结果破坏了(覆盖了)T1提交的结果,导致T1的修改被丢失。
(2)不可重复读(Non -Repeatable Read)不可重复读是指事务T1读取数据后,事务T2执行更新操作,使T1无法再现前一次读取结果。不可重复读包括三种情况:详见《概论》8.1(P266)。
(3)读"脏"数据(Dirty Read)读"脏"数据是指事务T1修改某一数据,并将其写回磁盘,事务T2读取同一数据后,T1由于某种原因被撤销,这时T1已修改过的数据恢复原值,T2读到的数据就与数据库中的数据不一致,则T2读到的数据就为"脏"数据,即不正确的数据。
避免不一致性的方法和技术就是并发控制。最常用的技术是封锁技术。也可以用其他技术，例如在分布式数据库系统中可以采用时间戳方法来进行并发控制。
3. 3.     什么是封锁?
答：封锁就是事务T在对某个数据对象例如表、记录等操作之前,先向系统发出请求,对其加锁。加锁后事务T就对该数据对象有了一定的控制,在事务T释放它的锁之前,其他的事务不能更新此数据对象。封锁是实现并发控制的一个非常重要的技术。
4. 4.     基本的封锁类型有几种?试述它们的含义。
答：基本的封锁类型有两种：排它锁(Exclusive Locks, 简称 X 锁 )和共享锁(Share Locks,简称 S 锁)。
排它锁又称为写锁。若事务T对数据对象A加上X锁,则只允许T读取和修改A，其他任何事务都不能再对A加任何类型的锁,直到T释放A上的锁。这就保证了其他事务在T释放A上的锁之前不能再读取和修改A。
共享锁又称为读锁。若事务T对数据对象A加上S锁,则事务T可以读A但不能修改A,其他事务只能再对A加S锁,而不能加X锁,直到T释放A上的S锁。这就保证了其他事务可以读A,但在T释放A上的S锁之前不能对A做任何修改。
5.如何用封锁机制保证数据的一致性 ?
答：DBMS在对数据进行读、写操作之前首先对该数据执行封锁操作,例如下图中事务T1在对A进行修改之前先对A执行XLock(A),即对A加X锁。这样,当T2请求对A加X锁时就被拒绝，T2只能等待T1释放A上的锁后才能获得对A的X锁,这时它读到的A是T1更新后的值,再按此新的A值进行运算。这样就不会丢失T1的更新。

DBMS按照一定的封锁协议,对并发操作进行控制,使得多个并发操作有序地执行,就可以避免丢失修改、不可重复读和读"脏"数据等数据不一致性。

6.什么是封锁协议?不同级别的封锁协议的主要区别是什么?
答：在运用封锁技术对数据加锁时,要约定一些规则。例如,在运用X锁和S锁对数据对象加锁时,要约定何时申请X锁或S锁、何时释放封锁等。这些约定或者规则称为封锁协议(locking Protocol)。对封锁方式约定不同的规则,就形成了各种不同的封锁协议、不同级别的封锁协议,例如《概论》8.3中介绍的三级封锁协议,三级协议的主要区别在于什么操作需要申请封锁,何时申请封锁以及何时释放锁(即持锁时间的长短)。
一级封锁协议：事务T在修改数据R之前必须先对其加X锁,直到事务结束才释放。
二级封锁协议：一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前必须先对其加S锁,读完后即可释放S锁。
三级封锁协议：一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前必须先对其加S锁,直到事务结束才释放。

7.不同封锁协议与系统一致性级别的关系是什么?
答：不同的封锁协议对应不同的一致性级别。
一级封锁协议可防止丢失修改,并保证事务T是可恢复的。在一级封锁协议中,对读数据是不加S锁的,所以它不能保证可重复读和不读"脏"数据。
二级封锁协议除防止了丢失修改,还可进一步防止读"脏"数据。在二级封锁协议中,由于读完数据后立即释放S锁,所以它不能保证可重复读。
在三级封锁协议中,无论是读数据还是写数据都加长锁，即都要到事务结束 才释放封锁。所以三级封锁协议除防止了丢失修改和不读"脏"数据外,还进一步防止了不可重复读。
下面的表格清楚地说明了封锁协议与系统一致性的关系。

X锁
S锁
一致性保证

操作结束
释放
事务结束
释放
操作结束
释放
事务结束
释放
不丢失
修改
不读"脏"
数据
可重
复读
一级封锁协议

√

√

二级封锁协议

√
√

√
√

三级封锁协议

√

√
√
√
√

8.什么是活锁?什么是死锁?
答： TI T2 T3 T4
lock R . . .
. lock R . .
. 等待 lock R .
Unlock 等待 . lock R
. 等待 . 等待
. 等待 . 等待
. 等待 Unlock 等待
. 等待 . lock R
. 等待 . .

如果事务T1封锁了数据R，事务T2飞又请求封锁R,于是T2等待。T3也请求封锁R，当T1释放了R上的封锁之后系统首先批准了T3的请求,T2仍然等待。然后T4又请求封锁R，当T3释放了R上的封锁之后系统又批准了T4的请求……T2有可能永远等待,这就是活锁的情形。活锁的含义是该等待事务等待时间太长，似乎被锁住了,实际上可能被激活。
如果事务Tl封锁了数据R1,T2封锁了数据R2，然后T1又请求封锁R2,因T2已封锁了R2,于是T1等待T2释放R2上的锁。接着T2又申请封锁R1,因T1已封锁了R1,T2也只能等待T1释放Rl上的锁。这样就出现了T1在等待T2,而T2又在等待Tl的局面,T1和T2两个事务永远不能结束,形成死锁。
T1 T2
lock R1 .
. lock R2
. .
lock R2 .
等待 .
等待 lock R1
等待 等待

9.试述活锁的产生原因和解决方法。
答：活锁产生的原因：当一系列封锁不能按照其先后顺序执行时,就可能导致一些事务无限期等待某个封锁,从而导致活锁。
避免活锁的简单方法是采用先来先服务的策略。当多个事务请求封锁同一 数据对象时,封锁子系统按请求封锁的先后次序对事务排队,数据对象上的锁一旦释放就批准申请队列中第一个事务获得锁。
10.请给出预防死锁的若干方法。
答：在数据库中,产生死锁的原因是两个或多个事务都已封锁了一些数据对象,然后又都请求已被其他事务封锁的数据加锁,从而出现死等待。
防止死锁的发生其实就是要破坏产生死锁的条件。预防死锁通常有两种方法：
(1)一次封锁法,要求每个事务必须一次将所有要使用的数据全部加锁,否则就不能继续执行；
(2)顺序封锁法,预先对数据对象规定一个封锁顺序,所有事务都按这个顺序实行封锁。
不过,预防死锁的策略不大适合数据库系统的特点,具体原因可参见《概论》8.4。
11.请给出检测死锁发生的一种方法,当发生死锁后如何解除死锁?
答：数据库系统一般采用允许死锁发生,DBMS检测到死锁后加以解除的方法。DBMS中诊断死锁的方法与操作系统类似,一般使用超时法或事务等待图法。
超时法是：如果一个事务的等待时间超过了规定的时限，就认为发生了死锁。超时法实现简单,但有可能误判死锁,事务因其他原因长时间等待超过时限 时,系统会误认为发生了死锁。若时限设置得太长,又不能及时发现死锁发生。
DBMS并发控制子系统检测到死锁后,就要设法解除。通常采用的方法是选择一个处理死锁代价最小的事务,将其撤消,释放此事务持有的所有锁,使其他事务得以继续运行下去。当然,对撤销的事务所执行的数据修改操作必须加以恢复。
12.什么样的并发调度是正确的调度?
答：可串行化(Sertalizable)的调度是正确的调度。
可串行化的调度的定义：多个事务的并发执行是正确的,当且仅当其结果与 按某一次序串行执行它们时的结果相同,称这种调度策略为可串行化的调度。
13.设T1,T2,T3是如下的3个事务：
T1:A:=A+2;
T2:A:=A*2;
T3:A:=A**2;
设A的初值为0。
(1)若这3个事务允许并行执行,则有多少可能的正确结果,请一一列举出来。
答:A的最终结果可能有2、4、8、16。
因为串行执行次序有T1 T2 T3、T1 T3 T2、T2 T1 T3、T2 T3 T1、T3 T1 T2、T3 T2 T1。
对应的执行结果是16、8、4、2、4、2。
(2)请给出一个可串行化的调度,并给出执行结果
答：
T1 T2 T3
slock A
Y=A=O
Unlock A
Xlock A
Slock A
A=Y+2 等待
写回 A(=2) 等待
Unlock A 等待
Y=A=2
Unlock A
Xlock A
Slock A
A=Y*2 等待
写回 A(=4) 等待
Unlock A 等待
Y=A=4
Unlock A
Xlock A
写回 A(=16)
Unlock A

最后结果A为16,是可串行化的调度。
(3)请给出一个非串行化的调度,并给出执行结果。
答：
T1 T2 T3
Slock A
Y=A=0
Unlock A
Slock A
Y=A=0
Xlock A
等待 Unlock A
A=Y+2
写回 A(=2) Slock A
Unlock A 等待
Y=A=2
Unlock A
Xlock A
Xlock A
等待 A=Y**2
等待 写回 A(=4)
等待 Unlock A
A=Y*2
写回 A(=0)
Unlock A
最后结果 A 为 0, 为非串行化的调度。
(4)若这3个事务都遵守两段锁协议,请给出一个不产生死锁的可串行化调度。
答： T1 T2 T3
Slock A
Y=A=O
Xlock A
A=Y+2 Slock A
写回 A(=2) 等待
Unlock A 等待
Y=A=2
Xlock A
等待 Slock A
A=Y*2 等待
写回A(=4) 等待
Unlock A 等待
Y=A=4
Xlock A
A=Y**2
写回 A(=16)
Unlock A

(5)若这3个事务都遵守两段锁协议,请给出一个产生死锁的调度。
答：
T1 T2 T3
Slock A
Y=A=0
Slock A
Y=A=0
Xlock A
等待
Xlock A
等待
Slock A
Y=A=0
Xlock A
等待

14.试述两段锁协议的概念。
答：两段锁协议是指所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁。
•在对任何数据进行读、写操作之前,首先要申请并获得对该数据的封锁；•在释放一个封锁之后,事务不再申请和获得任何其他封锁。
"两段"的含义是,事务分为两个阶段：
第一阶段是获得封锁,也称为扩展阶段,在这阶段,事务可以申请获得任何 数据项上的任何类型的锁,但是不能释放任何锁；
第二阶段是释放封锁,也称为收缩阶段,在这阶段,事务释放已经获得的锁,但是不能再申请任何锁。

15.试证明,若并发事务遵守两段锁协议,则对这些事务的并发调度是可串行化的。
证明：首先以两个并发事务T1和T2为例,存在多个并发事务的情形可以类推。根据可串行化定义可知,事务不可串行化只可能发生在下列两种情况：
(1)事务T1写某个数据对象A,T2读或写A；
(2)事务Tl读或写某个数据对象A,T2写A。
下面称A为潜在冲突对象。
设T1和T2访问的潜在冲突的公共对象为{A1,A2,…,An}。
不失一般性,假设这组潜在冲突对象中X={A1,A2, … ,Ai}均符合情况(1)。Y={Ai+1,…,An}符合所情况(2)。
xX,T1需要X1ock x ①
T2需要Slock x 或 Xlock x ②
1) 1)     如果操作①先执行,则T1获得锁,T2等待
由于遵守两段锁协议,T1在成功获得X和Y中全部对象及非潜在冲突对象的锁后,才会释放锁。
这时如果wX或Y,T2已获得w的锁,则出现死锁；
否则,T1在对X、Y中对象全部处理完毕后,T2才能执行。
这相当于按T1、T2的顺序串行执行,根据可串行化定义,T1和T2的调度是可串行化的。
2) 2)     操作②先执行的情况与(1)对称
因此,若并发事务遵守两段锁协议,在不发生死锁的情况下,对这些事务的并发调度一定是可串行化的。
证毕。

16.举例说明,对并发事务的一个调度是可串行化的,而这些并发事务不一定遵守两段锁协议。
Tl T2
slock B
读B=2
Y=B
Unlock B
Xlock A
Slock A
A=Y+1 等待
写回 A=3 等待
Unlock A 等待