摘  要： 研究了一種基于多粒度鎖的并發(fā)控制算法，包括其多粒度鎖鎖、鎖表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及鎖操作的算法步驟。算法可以降低沖突發(fā)生的概率和事務(wù)的夭折數(shù)，減少事務(wù)重啟，有利于滿足事務(wù)截止期的要求，提高事務(wù)的并發(fā)度。在驗(yàn)證算法有效性時(shí)，通過(guò)測(cè)試類對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的插入速度、索引查找的速度、記錄的刪除速度三方面的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，事務(wù)并發(fā)控制優(yōu)化算法對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)性能的提升是有效可行的。
關(guān)鍵詞： 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)；實(shí)時(shí)事務(wù)；算法；并發(fā)控制；粒度

　實(shí)時(shí)事務(wù)處理的算法主要有兩個(gè)方面，一方面是實(shí)事事務(wù)調(diào)度算法，主要是事務(wù)優(yōu)先級(jí)的確定；另一方面是實(shí)時(shí)事務(wù)的事務(wù)并發(fā)控制算法，包括悲觀事務(wù)并發(fā)控制算法和樂(lè)觀事務(wù)并發(fā)控制算法兩種[1]。近年來(lái)，在事務(wù)的并發(fā)控制方面已取得了大量理論研究成果。迄今為止，許多基于鎖、樂(lè)觀、時(shí)間戳的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)控制方法已提出，如優(yōu)先級(jí)繼承PI（Priority Inheriting）、高優(yōu)先級(jí)夭折HPA（High Priority Abort）、優(yōu)先級(jí)頂PC（Priority Ceiling）等，但很少見(jiàn)有關(guān)實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)并發(fā)控制實(shí)現(xiàn)技術(shù)的相關(guān)論述[2]。實(shí)時(shí)事務(wù)的并發(fā)控制實(shí)現(xiàn)涉及到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的底層技術(shù)，而一般的研究和討論只是基于一定的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行理論研究和分析。而且，對(duì)于不同的實(shí)現(xiàn)環(huán)境和所選擇的實(shí)現(xiàn)策略，實(shí)時(shí)事務(wù)所采用的并發(fā)控制技術(shù)也不盡相同。本文在研究已有的事務(wù)并發(fā)控制算法的基礎(chǔ)上，對(duì)悲觀事務(wù)并發(fā)控制算法2PL進(jìn)行了改進(jìn)。
　在對(duì)算法性能測(cè)試時(shí)，根據(jù)給出的實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的引擎結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，以測(cè)試類對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)方面的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試分為兩次，分別為事務(wù)并發(fā)控制算法優(yōu)化前和事務(wù)并發(fā)控制算法優(yōu)化后。
1 實(shí)時(shí)事務(wù)的并發(fā)控制算法
　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)問(wèn)題是并發(fā)控制，它由于既要滿足事務(wù)的時(shí)間限制還要維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性而變得復(fù)雜[3]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的并發(fā)控制協(xié)議不適合內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)事務(wù)是緊急的并且事務(wù)調(diào)度必須滿足截止期[4]。
　定義1：一個(gè)調(diào)度S定義在一個(gè)事務(wù)集合T={T1，T2，．．．，Tn}的基礎(chǔ)上，它是多個(gè)事務(wù)執(zhí)行的操作系列。
　定義2：一個(gè)調(diào)度S中，各個(gè)事務(wù)的操作執(zhí)行時(shí)不疊加（即一個(gè)接著一個(gè)發(fā)生），則這個(gè)調(diào)度是串行的。
　定義3：一個(gè)調(diào)度S是可串行的，當(dāng)且僅當(dāng)S沖突等價(jià)于一個(gè)串行調(diào)度。這種可串行化通常稱為沖突等價(jià)可串行化。
　一個(gè)并發(fā)控制器（或稱調(diào)度器）的基本功能是產(chǎn)生一個(gè)要執(zhí)行事務(wù)的可串行化調(diào)度。多數(shù)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的并發(fā)控制協(xié)議均基于串行化理論[5]。并發(fā)控制協(xié)議用于控制數(shù)據(jù)的調(diào)度，主要目標(biāo)是維持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性并提供最大化的并發(fā)度[1]。在有些情況下，一致性要求可適當(dāng)放寬。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)是駐留在內(nèi)存中的共享數(shù)據(jù)，在不同線程中同時(shí)運(yùn)行的事務(wù)之間可能由于訪問(wèn)內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象而發(fā)生沖突，并發(fā)控制協(xié)議就是用來(lái)解決事務(wù)之間沖突的策略[6]。常見(jiàn)的沖突模式有“讀-寫(xiě)”沖突和“寫(xiě)-寫(xiě)”沖突[7]。
　“讀-寫(xiě)”沖突：對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，一個(gè)事務(wù)正在執(zhí)行“讀”操作，同時(shí)另一個(gè)事務(wù)執(zhí)行“寫(xiě)”操作而發(fā)生沖突；
　“寫(xiě)-寫(xiě)”沖突：對(duì)同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，一個(gè)事務(wù)正在執(zhí)行“寫(xiě)”操作，同時(shí)另一個(gè)事務(wù)也執(zhí)行“寫(xiě)”操作而發(fā)生沖突。
　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中的并發(fā)控制協(xié)議解決沖突的辦法主要有兩種策略：
?。?）等待：終止其中一個(gè)事務(wù)引起沖突的操作，使其停留在等待狀態(tài)，直到另一個(gè)事務(wù)的操作完成為止。在內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)并發(fā)控制的研究中，等待策略有以下三種派生方法：①不等待（no wait）：等待的事務(wù)立即夭折，而不是等到另一個(gè)事務(wù)操作完為止。②損傷等待（wound wait）：根據(jù)每個(gè)事務(wù)的達(dá)到時(shí)間，如果要求得到數(shù)據(jù)者到達(dá)得比較早，則夭折正在使用數(shù)據(jù)的事務(wù)；否則夭折要求得到數(shù)據(jù)的事務(wù)。③等待死亡（wait die）：根據(jù)每個(gè)事務(wù)的到達(dá)時(shí)間，如果要求得到數(shù)據(jù)者到達(dá)得比較早，則該事務(wù)可以繼續(xù)等待，否則夭折這個(gè)事務(wù)。
?。?）回滾：撤消事務(wù)引起沖突的操作，事務(wù)重啟，回到開(kāi)始時(shí)的狀態(tài)[1]。
　根據(jù)解決“讀寫(xiě)”操作沖突的不同策略，并發(fā)控制算法分為悲觀并發(fā)控制協(xié)議PCC（Pessimistic Concurrency Control）和樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議OCC（Optimistic Concurrency Control）兩大類[6]。分類如圖１所示。

　 悲觀并發(fā)控制算法中最廣泛使用的是基于鎖（Lock）協(xié)議的算法，它為數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供數(shù)據(jù)鎖，分為讀鎖和寫(xiě)鎖，讀鎖又稱共享鎖（Shared Lock），被加讀鎖的數(shù)據(jù)對(duì)象只能讀不能寫(xiě)；寫(xiě)鎖又稱排它鎖（Exclusive lock），被加鎖的數(shù)據(jù)對(duì)象只能被加鎖事務(wù)讀寫(xiě)，其他事務(wù)不能訪問(wèn)[7]。事務(wù)要獲得對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，首先要申請(qǐng)得到鎖，操作完成后釋放鎖。一般操作系列為：（1）申請(qǐng)鎖（Lock request）；（2）授予鎖（Lock granted）；（3）數(shù)據(jù)庫(kù)操作（Database operation）；（4）結(jié)束操作（End of database operation）；（5）釋放鎖（Release locks）。
　兩階段鎖2PL（two phase lock）是悲觀并發(fā)控制協(xié)議算法的重要內(nèi)容，為解決優(yōu)先級(jí)倒置，派生出了高優(yōu)先級(jí)法2PL-HP（也叫優(yōu)先級(jí)夭折）、優(yōu)先級(jí)繼承、有條件優(yōu)先級(jí)繼承、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)法PCP及其他衍生協(xié)議。
　樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議認(rèn)為任何兩個(gè)并發(fā)事務(wù)請(qǐng)求同一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的概率很低，事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的所有操作在請(qǐng)求時(shí)即可進(jìn)行。樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議的事務(wù)處理過(guò)程分為：讀、驗(yàn)證、提交，驗(yàn)證分為前向驗(yàn)證和后向驗(yàn)證，若在驗(yàn)證階段發(fā)現(xiàn)沖突，則進(jìn)行事務(wù)回滾。如果事務(wù)頻繁的重啟對(duì)于內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)會(huì)是一個(gè)負(fù)擔(dān)并且不利于事務(wù)在截止期前完成，因此樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議算法大多是圍繞如何減少事務(wù)重啟而進(jìn)行改進(jìn)，派生出了廣播算法OCC-BC、WAIT-50、OCC-TI、OCC-DA、多版本協(xié)議MCC等。
　悲觀并發(fā)控制協(xié)議算法具有節(jié)約系統(tǒng)資源的特點(diǎn)，在處理時(shí)間限制比較嚴(yán)格的硬實(shí)時(shí)事務(wù)時(shí)表現(xiàn)優(yōu)于樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議，而樂(lè)觀并發(fā)控制協(xié)議有利于提高系統(tǒng)的并發(fā)度[8]。研究表明，2PL-HP更適合于分布式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。根據(jù)流程工業(yè)大型內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，借鑒分布式兩階段鎖協(xié)議2PL的思想，本文提出并設(shè)計(jì)了多粒度鎖的并發(fā)控制算法，其特點(diǎn)是減少?zèng)_突事務(wù)之間的等待時(shí)間。
2 兩階段鎖2PL
　數(shù)據(jù)鎖分為讀鎖（也稱共享鎖）和寫(xiě)鎖（也稱獨(dú)占鎖）：（1）共享鎖Shared lock：只允許讀，簡(jiǎn)稱“S鎖”；（2）獨(dú)占鎖Exclusive lock：允許讀和修改鎖住的數(shù)據(jù)對(duì)象，簡(jiǎn)稱“X鎖”。一般使用鎖的方式是用完即釋放，如以下代碼所示：
　LOCK  S（A）； //對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象A加共享鎖
　read（A）； //讀數(shù)據(jù)對(duì)象A
　UNLOCK（A）；//釋放鎖
　LOCK  S（B）； //對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象B加共享鎖
　read（B）； //讀數(shù)據(jù)對(duì)象B
　UNLOCK（B）； //釋放鎖
　display（A+B）； //顯示結(jié)果
　這種使用鎖的方式可能會(huì)導(dǎo)致不可串行化，而可串行化（serializability）是并發(fā)控制最普遍的正確性準(zhǔn)則，各個(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的操作不交叉存?。疵總€(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的操作是連續(xù)的）[9]。因?yàn)樵谶@種方式中，當(dāng)事務(wù)T1釋放鎖時(shí)，事務(wù)T2獲得了數(shù)據(jù)對(duì)象A的獨(dú)占鎖LOCK  X（A）而執(zhí)行write（A）的操作，就會(huì)導(dǎo)致事務(wù)T1的執(zhí)行結(jié)果不正確。采用兩階段鎖來(lái)解決此問(wèn)題，所謂兩階段指的是封鎖階段和解鎖階段。封鎖階段也稱為生長(zhǎng)階段（Growing phase），事務(wù)獲得鎖并存取數(shù)據(jù)；解鎖階段也叫枯萎階段（Shrinking phase），事務(wù)的鎖不斷減少。
　兩階段鎖算法的規(guī)則是：（1）如果事務(wù)T想讀（修改）一個(gè)對(duì)象，它首先要獲得一個(gè)共享（獨(dú)占）鎖；（2）對(duì)事務(wù)已經(jīng)持有的封鎖，不得重復(fù)申請(qǐng)；（3）一個(gè)事務(wù)必須注意到其他事務(wù)所做的封鎖；（4）每個(gè)事務(wù)分做兩段：生長(zhǎng)期和枯萎期。生長(zhǎng)期申請(qǐng)封鎖，枯萎期解除封鎖，在枯萎期不得申請(qǐng)新封鎖；（5）調(diào)度器在數(shù)據(jù)管理器完成對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象橢操作后才能釋放鎖；（6）事務(wù)結(jié)束時(shí)，解除所有封鎖。
　兩階段鎖算法規(guī)則保證了事務(wù)執(zhí)行的可串行化，鎖管理器LM （Lock Manager）在存取結(jié)束時(shí)即刻釋放鎖，提高了事務(wù)的并發(fā)度。但它存在的問(wèn)題是可能導(dǎo)致級(jí)聯(lián)退出，所以需要使用嚴(yán)格2PL（strict two-phase locking，簡(jiǎn)稱S2PL）， S2PL在數(shù)據(jù)存取完成的最后階段釋放所有鎖。
3 基于多粒度鎖的并發(fā)控制
　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中，兩階段鎖封鎖對(duì)象的大小稱為封鎖的粒度，一般情況下，加鎖的粒度越大，加鎖的次數(shù)就越少，系統(tǒng)資源的開(kāi)銷小，事務(wù)之間沖突發(fā)生的概率就越高，系統(tǒng)的并發(fā)度越低；多粒度鎖封鎖就是在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)支持多種封鎖粒度供不同的事務(wù)進(jìn)行選擇。采取多粒度鎖封鎖策略，可以降低沖突發(fā)生的概率和事務(wù)的夭折數(shù)，減少事務(wù)重啟，有利于滿足事務(wù)截止期的要求，提高事務(wù)的并發(fā)度。
3.1 多粒度鎖并發(fā)控制鎖
　參考關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的概念，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中鎖的粒度可定義為：數(shù)據(jù)庫(kù)DataBase （如果多于一個(gè)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)也可以作為粒度的元素）、表Table、頁(yè)P(yáng)age、記錄Record、元組Tuple。從前到后是一種順序包含的關(guān)系，展開(kāi)以后其層次結(jié)構(gòu)形成了一棵樹(shù)。多粒度鎖封鎖允許對(duì)樹(shù)上的每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行封鎖。由于節(jié)點(diǎn)的這種包含關(guān)系，除S鎖和X鎖外，多粒度鎖鎖時(shí)需要引入以下的意向鎖：
　（1）IS（Intent Share Lock）：意向共享鎖。如果對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象加IS鎖，表示它的子結(jié)點(diǎn)擬加S鎖。
?。?）IX（Intent Exclusive Lock）：意向排它鎖。如果對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象加IX鎖，表示它的子結(jié)點(diǎn)擬加X(jué)鎖。
?。?）SIX（Share Intent Exclusive Lock）：共享意向排它鎖。如果對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象加SIX鎖，表示對(duì)它加S鎖，再加IX鎖，即SIX=S+IX。例如，對(duì)某個(gè)表加SIX鎖，則表示該事務(wù)要讀整個(gè)表（對(duì)該表加S鎖），同時(shí)會(huì)更新個(gè)別元組（對(duì)該表加IX鎖）。
多粒度鎖鎖協(xié)議準(zhǔn)則：
?。?）從層次結(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始封鎖；
?。?）子節(jié)點(diǎn)要獲得S或IS鎖，它的父節(jié)點(diǎn)必須持有IS或IX鎖；
?。?）子節(jié)點(diǎn)要獲得X或IX或SIX鎖，它的父節(jié)點(diǎn)必須持有IX或SIX鎖；
?。?）必須從由底向上的順序釋放鎖。
3.2 粒度并發(fā)控制算法步驟
　本文提出的多粒度鎖的并發(fā)控制協(xié)議中，采用S2PL-HP算法解決沖突。如果低優(yōu)先級(jí)事務(wù)試圖申請(qǐng)高優(yōu)先級(jí)事務(wù)持有的鎖，則阻塞優(yōu)先級(jí)低的事務(wù)；如果優(yōu)先級(jí)高的事務(wù)到達(dá)時(shí)申請(qǐng)低優(yōu)先級(jí)事務(wù)持有的鎖，則將低優(yōu)先級(jí)事務(wù)回滾。
　兩階段鎖算法需要構(gòu)造鎖管理器LM，鎖管理器管理的鎖存放在散列表（Hash Table）一類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的元素可定義如下：
typedef lock_type{
DATAID data_id： //被鎖定的數(shù)據(jù)對(duì)象ID
vector trans_id； //持有鎖的事務(wù)ID向量
int lt：//鎖類型：S、X、1S、IX，SIX
int lg；//鎖粒度：db，table，page，record，Tuple
}lock_item
　定義4：RTDB={DT1，DT2，…，DTn}，其中， DTi為數(shù)據(jù)庫(kù)中第i個(gè)的數(shù)據(jù)表，DTi={DR1，DR2，…，DRn}：DRj為數(shù)據(jù)表中第j條記錄，DRj={DF1，DF2，…，DFn}；DFk為記錄中的第k個(gè)元組。
　定義5：數(shù)據(jù)的全局標(biāo)識(shí)為GID=f（DB，DTi，DRj，DFk）；conflict（Ti，Tj）為事務(wù)Ti和Tj的沖突；lock（Ti，Di）表示事務(wù)Ti對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象Di加鎖。
LM：Lock Manager，即鎖表管理器；DM：Data Manager，即數(shù)據(jù)管理器。當(dāng)事務(wù)Ti到達(dá)時(shí)，多粒度鎖并發(fā)控制算法步驟為：
?。?）進(jìn)行事務(wù)預(yù)分析，根據(jù)一定的算法規(guī)則計(jì)算Ti所操作的數(shù)據(jù)對(duì)象的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)；并填寫(xiě)lock_item中的其他項(xiàng)；將鎖粒度lg初始化設(shè)置為table。
　（2）查看鎖表管理器，找到事務(wù)Tj的數(shù)據(jù)對(duì)象ID：
?、賂i和Tj不沖突，則鎖表管理器將Ti的信息加入鎖表中，lock（Ti，Di），轉(zhuǎn)到第（3）步；
?、谌绻鸗i和Tj發(fā)生沖突，若它們的鎖類型相容，則鎖表管理器將Ti的trans_id加入向量中，轉(zhuǎn)到第（3）步；
　③如果鎖粒度是元組，即最小加鎖粒度，則跳到第（5）步，否則調(diào)整Ti和Tj的加鎖粒度，并返回第（2）步；
?。?）處理事務(wù)，調(diào)用數(shù)據(jù)管理器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作；
（4）數(shù)據(jù)管理器處理完畢，鎖表管理器更新對(duì)應(yīng)鎖表中的信息，跳到第（6）步；
（5）如果有沖突發(fā)生，調(diào)用S2PL—HP算法規(guī)則解決沖突；
（6）結(jié)束。
4 算法測(cè)試
4.1 內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)引擎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù) Engine是內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的核心，它對(duì)實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，它的本質(zhì)是一個(gè)實(shí)時(shí)事務(wù)處理器。
　關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用二維關(guān)系表來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，基于磁盤(pán)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存取過(guò)程中要進(jìn)行頻繁的磁盤(pán)I/O操作。由于磁盤(pán)I/O操作時(shí)間不確定性，要引入內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中是不現(xiàn)實(shí)的。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)常駐內(nèi)存，訪問(wèn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)無(wú)需進(jìn)行I/O操作，保證了運(yùn)行速度，有利于滿足實(shí)時(shí)事務(wù)截止期的要求。
4.2 事務(wù)并發(fā)控制優(yōu)化算法測(cè)試結(jié)果
　測(cè)試系統(tǒng)環(huán)境為：Win7+JDK+NetBeans6.7。
　事務(wù)并發(fā)控制算法優(yōu)化前測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

　事務(wù)并發(fā)控制算法優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

　與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)不同，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)事務(wù)的并發(fā)擦控制除需保證共享數(shù)據(jù)的一致性外，還要考慮事務(wù)的定時(shí)限制。因此，其并發(fā)控制機(jī)制比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)要復(fù)雜。本文給出了一個(gè)基于多粒度鎖的并發(fā)控制機(jī)制，通過(guò)驗(yàn)證，該方法成功且有效地解決了內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的事務(wù)并發(fā)問(wèn)題。從內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)的測(cè)試結(jié)果可知，算法優(yōu)化后系統(tǒng)的各項(xiàng)性能都有所提升，證明了算法優(yōu)化的可行性和必要性。
參考文獻(xiàn)
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