Понятие протокола. Двухфазный протокол. Двухфазные транзакции. Типы блокировок

Протокол передачи данных — набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ передачи сообщений и обработки ошибок при взаимодействии программного обеспечения разнесённой в пространстве аппаратуры, соединённой тем или иным интерфейсом.

Протокол двухфазной блокировки

Важную роль в обеспечении корректной параллельной обработки транзакций играет «протокол двухфазной блокировки» (Two Phase Locking – 2PL). Существует соответствующая теорема, что сериализуемость транзакций заведомо гарантируется, если блокировки, относящиеся к одновременно выполняемым транзакциям, удовлетворяют правилу: "Ни одна блокировка от имени какой-либо транзакции не должна устанавливаться, пока не будет снята ранее установленная блокировка". Это правило известно под названием двухфазовое блокирование.

Суть 2PL в том, что нельзя снять однажды наложенную блокировку до тех пор, пока не наложены все блокировки, необходимые транзакции. Таким образом, работа с блокировками в транзакции делится на две фазы: фаза наложения блокировок и фаза снятия. В практических реализациях, как правило, применяется строгий протокол двухфазной блокировки – Strict 2PL. Его особенность в том, что фаза снятия блокировок наступает после фиксации транзакции.

Двухфазные транзакции

Распределенные системы обычно включают несколько компьютеров - серверов баз данных, называемых узлами. Данные физически распределены между ними. На каждом узле содержится некоторая локальная база данных, содержащая фрагмент данных из общей распределенной базы. В распределенных базах транзакция, выполнение которой заключается в обновлении данных на нескольких узлах сети, называется глобальной или распределенной транзакцией.

Внешне выполнение распределенной транзакции выглядит как обработка транзакции к локальной базе данных. Тем не менее распределенная транзакция включает в себя несколько локальных транзакций, каждая из которых завершается двумя путями - фиксируется или прерывается. Распределенная транзакция фиксируется только в том случае, когда зафиксированы все локальные транзакции, ее составляющие. Если хотя бы одна из локальных транзакций была прервана, то должна быть прервана и распределенная транзакция. Как на практике учесть это требование?

Для этого в современных СУБД предусмотрен так называемый протокол двухфазовой (или двухфазной) фиксации транзакций (two-phase commit). Название отражает тот факт, что фиксация распределенной транзакции выполняется в две фазы.

Фаза 1 начинается, когда при обработке транзакции встретился оператор COMMIT. Сервер распределенной БД (или компонент СУБД, отвечающий за обработку распределенных транзакций) направляет уведомление "подготовиться к фиксации" всем серверам локальных БД, выполняющим распределенную транзакцию. Если все серверы приготовились к фиксации (то есть откликнулись на уведомление и отклик был получен), сервер распределенной БД принимает решение о фиксации. Серверы локальных БД остаются в состоянии готовности и ожидают от него команды "зафиксировать". Если хотя бы один из серверов не откликнулся на уведомление в силу каких-либо причин, будь то аппаратная или программная ошибка, то сервер распределенной БД откатывает локальные транзакции на всех узлах, включая даже те, которые подготовились к фиксации и оповестили его об этом.

Фаза 2 - сервер распределенной БД направляет команду "зафиксировать" всем узлам, затронутым транзакцией, и гарантирует, что транзакции на них будут зафиксированы. Если связь с локальной базой данных потеряна в интервал времени между моментом, когда сервер распределенной БД принимает решение о фиксации транзакции, и моментом, когда сервер локальной БД подчиняется его команде, то сервер распределенной БД продолжает попытки завершить транзакцию, пока связь не будет восстановлена.

Типы блокировок:

Принудительное упорядочение транзакций обеспечивается с помощью механизма блокировок. Суть этого механизма в следующем: если для выполнения некоторой транзакции необходимо, чтобы некоторый объект базы данных (кортеж, набор кортежей, отношение, набор отношений,..) не изменялся непредсказуемо и без ведома этой транзакции, такой объект блокируется. Основными видами блокировок являются:

1) блокировка со взаимным доступом, называемая также S-блокировкой (от Shared locks) и блокировкой по чтению.

2) монопольная блокировка (без взаимного доступа), называемая также X-блокировкой от (eXclusive locks) или блокировкой по записи. Этот режим используется при операциях изменения, добавления и удаления объектов.

Применение механизма блокировки приводит к замедлению обработки транзакций, поскольку система вынуждена ожидать пока освободятся данные, захваченные конкурирующей транзакцией. Решить эту проблему можно за счет уменьшения фрагментов данных, захватываемых транзакцией.

В зависимости от захватываемых объектов различают несколько уровней блокировки:

1) блокируется вся база данных - очевидно, этот вариант неприемлим, поскольку сводит многопользовательский режим работы к однопользовательскому

2) блокируются отдельные таблицы

3) блокируются страницы (страница - фрагмент таблицы размером обычно 2-4 Кб, единица выделения памяти для обработки данных системой)

4) блокируются записи

5) блокируются отдельные поля