摘   要： 通過(guò)分析數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)中并發(fā)控制導(dǎo)致的數(shù)據(jù)的不一致性，提出了解決并發(fā)控制的動(dòng)態(tài)加鎖粒度的兩段鎖協(xié)議。
關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)  視圖  加鎖粒度  并發(fā)控制

1  數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
　　數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)是面向主題的、集成的、隨時(shí)間而變的、持久的數(shù)據(jù)集合，用于支持管理決策過(guò)程。
數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　(1)信息源?？梢允莻鹘y(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以是文件、HTML文件和知識(shí)庫(kù)等。
　　(2)包裝器。包裝工作包括對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換，必要時(shí)還需對(duì)數(shù)據(jù)之間的語(yǔ)義聯(lián)系進(jìn)行重新構(gòu)造。
　　(3)監(jiān)控器。監(jiān)控器用來(lái)建立數(shù)據(jù)的各種概要文件，負(fù)責(zé)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中所有表的目錄、表的內(nèi)容以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與信息源之間的數(shù)據(jù)增量，并報(bào)告給上層的集成器。
　　(4)集成器。集成器不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)初始化，還負(fù)責(zé)接收監(jiān)控器的變化報(bào)告，并將信息源的新變化根據(jù)有關(guān)定義轉(zhuǎn)化到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。
　　(5)實(shí)現(xiàn)圖管理部件。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)共享、安全保密、歸檔、備份、恢復(fù)及元數(shù)據(jù)的管理工作。
　　(6)查詢與分析工具。完成決策問(wèn)題所需的各種查詢與分析工具，包括用戶查詢工具、C/S工具、用于多維數(shù)據(jù)的OLAP分析工具、數(shù)據(jù)挖掘(DM)工具等，以實(shí)現(xiàn)決策支持系統(tǒng)的各種要求。
　　在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)中，信息源采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控器管理信息源數(shù)據(jù)的增量，包裝器對(duì)需要加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換后觸發(fā)事件，從而引起集成器來(lái)加載和集成數(shù)據(jù)，然后存放于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。各種查詢與分析工具通過(guò)實(shí)現(xiàn)圖管理部件來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。
2  多重粒度的數(shù)據(jù)一致性
　　在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，數(shù)據(jù)量是巨大的。有時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)容經(jīng)常發(fā)生變化，而且不要求特別詳細(xì)的歷史記錄，這時(shí)通過(guò)使用簡(jiǎn)要記錄來(lái)構(gòu)成綜合級(jí)數(shù)據(jù)粒度。簡(jiǎn)要記錄是把操作型數(shù)據(jù)中的許多不同的、詳細(xì)的記錄組合在一起形成一條記錄。一條簡(jiǎn)要記錄以聚集的形成代表了許多條操作型記錄。建立簡(jiǎn)要記錄就是為最終用戶的訪問(wèn)和分析提供一種緊湊的、方便的數(shù)據(jù)組織形式。另外，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)在其內(nèi)部都以一種稱為快照的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為中心來(lái)組織。快照是因?yàn)橐患录陌l(fā)生而引起的。例如，操作型環(huán)境中的一些活動(dòng)需要記錄下來(lái)或者用時(shí)間來(lái)引發(fā)，則實(shí)際發(fā)生的活動(dòng)與被置入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的快照數(shù)目是一一對(duì)應(yīng)的，這樣數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)就能追蹤所有的歷史活動(dòng)?？煺沾砹艘粋€(gè)單一的事件，構(gòu)成了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的細(xì)節(jié)級(jí)粒度。
　　快照和簡(jiǎn)要記錄構(gòu)成了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的視圖。視圖的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，稱數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)視圖為實(shí)例化視圖。實(shí)例化視圖一般沒(méi)有自動(dòng)更新的功能，但事實(shí)上，當(dāng)信息源數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，經(jīng)過(guò)集成器的處理會(huì)引起數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的相應(yīng)變化。這時(shí)帶來(lái)了一些問(wèn)題：首先，某個(gè)信息源產(chǎn)生了數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的幾個(gè)視圖，而這幾個(gè)視圖之間相互關(guān)聯(lián)；其次，信息源的分布性使得視圖的更新可能并發(fā)出現(xiàn)，這時(shí)必須有合適的并發(fā)控制策略保證視圖數(shù)據(jù)與信息源數(shù)據(jù)之間的一致性。
　　下面介紹通過(guò)一種鎖管理機(jī)制的并發(fā)控制策略來(lái)保證視圖數(shù)據(jù)與信息源數(shù)據(jù)之間一致性的方法。
3  數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的鎖管理機(jī)制
　　為保證數(shù)據(jù)一致性所使用的并發(fā)控制算法中最著名的是兩段鎖協(xié)議(2PL協(xié)議)。其主要內(nèi)容是并發(fā)執(zhí)行的多個(gè)事務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作以前要進(jìn)行加鎖，且每個(gè)事務(wù)中的所有加鎖操作在第一個(gè)解鎖操作以前執(zhí)行。由于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)存在很大的差異，故2PL協(xié)議必須加以改進(jìn)，以適應(yīng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系結(jié)構(gòu)。
3.1 鎖模式
　　在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中對(duì)資源對(duì)象加鎖時(shí)，通過(guò)對(duì)鎖的區(qū)分來(lái)實(shí)現(xiàn)可串行化調(diào)度。鎖可分為：
　　(1)共享鎖：即Shared(S)。共享鎖用于只讀操作，它允許多個(gè)并發(fā)事務(wù)讀取所鎖定的資源，但禁止其他事務(wù)對(duì)鎖定資源的修改操作。
　　(2)排它鎖：即Exclusive(X)。用于數(shù)據(jù)修改操作，排它鎖所鎖定的資源不能被其他并發(fā)事務(wù)讀取或修改。
　　以上二種鎖模式在試圖鎖定資源時(shí)存在兼容性問(wèn)題，即在使用一種鎖模式鎖定資源期間是否允許其他事務(wù)再鎖定該資源。例如，共享鎖與共享鎖兼容，就是指一個(gè)事務(wù)用共享鎖鎖定某一資源后，允許其他事務(wù)再在該資源上放置共享鎖，使它們能夠并發(fā)讀取該資源；而排它鎖與任何的鎖都不兼容，是指一個(gè)事務(wù)用排它鎖鎖定某一資源期間，不允許另外一個(gè)事務(wù)在該資源上加鎖。
3.2 動(dòng)態(tài)加鎖粒度的兩段鎖協(xié)議
　　數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的信息源是分布式的，對(duì)各個(gè)信息源需劃分為不同的子事務(wù)來(lái)執(zhí)行，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)及信息源的數(shù)據(jù)加鎖。故數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)要遵循2PL協(xié)議，其各個(gè)信息源也要遵循2PL協(xié)議。
　　2PL協(xié)議可以簡(jiǎn)單歸納如下：對(duì)于若干個(gè)事務(wù)T₁，T₂，……T_n在m個(gè)信息源上執(zhí)行，其集成器中的全局調(diào)度E可以由一組局部調(diào)度序列S₁，S₂，……，S_n來(lái)描述，每一個(gè)局部調(diào)度均遵守2PL協(xié)議，且對(duì)于有沖突操作事務(wù)T_i、T_j的沖突操作O_i、O_j，有T_i<T_j，則O_i<O_j。則全局調(diào)度E滿足2PL協(xié)議，即是可串行化的。
　　在2PL協(xié)議中，其加鎖機(jī)制由最基本的讀鎖和寫(xiě)鎖構(gòu)成，其相容性前面已給出。由此可知，只要出現(xiàn)寫(xiě)操作就會(huì)出現(xiàn)沖突操作。但在很多情況下，對(duì)于讀寫(xiě)沖突、寫(xiě)寫(xiě)沖突等，只要降低其加鎖粒度，就可以化解該沖突操作。
　　假設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)DB={Tab1，Tab2，Tab3，Tab4}。Tab1與Tab2是相關(guān)聯(lián)的表，Tab3與Tab4也是相關(guān)聯(lián)的表，但二者之間是相對(duì)獨(dú)立的，即它們之間沒(méi)有共同的屬性。據(jù)此，數(shù)據(jù)庫(kù)DB可分為{Tab1，Tab2}，{Tab3，Tab4}。有二個(gè)事務(wù)T1和T2，它們都將對(duì)DB進(jìn)行寫(xiě)操作，其操作時(shí)序如圖2所示。

　　當(dāng)在2PL協(xié)議中的加鎖粒度為數(shù)據(jù)庫(kù)DB時(shí)，則T2在t2時(shí)刻的寫(xiě)操作就要等到t3時(shí)刻以后了。因?yàn)門(mén)1必須等到t3時(shí)刻完成對(duì)Tab2的操作后才能釋放對(duì)DB的鎖。但如果把加鎖層次降為DB中的表，則T1、T2就可在t1、t2時(shí)刻分別獲得對(duì)Tab1、Tab3的鎖，即T2就可在t2時(shí)刻完成寫(xiě)操作。這樣顯然并發(fā)度將有所提高，故在此引入動(dòng)態(tài)加鎖粒度的兩段鎖協(xié)議。
3.3 加鎖粒度
　　被加鎖的數(shù)據(jù)對(duì)象的大小，即為加鎖粒度。適當(dāng)選定加鎖粒度是非常重要的。加鎖粒度越細(xì)，加鎖次數(shù)將會(huì)增多，系統(tǒng)開(kāi)銷就會(huì)越大，但這樣可減少?zèng)_突事務(wù)，使整個(gè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的并發(fā)程度提高；加鎖粒度越大，加鎖的次數(shù)將會(huì)減小，系統(tǒng)開(kāi)銷隨之減少，但并發(fā)度也會(huì)降低。所以加鎖粒度的大小要根據(jù)實(shí)際情況決定。如果對(duì)信息源數(shù)據(jù)的集成進(jìn)行大方面的加載，則采用較粗的加鎖粒度；如果只是少量的讀取，如只對(duì)某些記錄和某些字段，則可采用較細(xì)的加鎖粒度。下面用一種動(dòng)態(tài)加鎖粒度的機(jī)制來(lái)解決數(shù)據(jù)集成和加載時(shí)的并發(fā)控制。先介紹幾個(gè)定義。
　　(1)加鎖粒度級(jí)別：數(shù)據(jù)的加鎖層次。由于在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中有多種不同的數(shù)據(jù)對(duì)象(如信息源可以是數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等)，并且數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也具有多重粒度，所以就有不同的加鎖粒度級(jí)別。在數(shù)據(jù)庫(kù)中可能的加鎖粒度有：整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)表空間(儲(chǔ)存一個(gè)或多個(gè)表的一個(gè)邏輯存取空間)、表空間的一個(gè)表、一個(gè)表中的一條記錄或一個(gè)表中的一個(gè)字段。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，數(shù)據(jù)是按主題來(lái)劃分的，主題中包含視圖。由此可見(jiàn)，不同環(huán)境中數(shù)據(jù)層次不同。因此不能把一個(gè)加鎖粒度級(jí)別用在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的所有地方，各個(gè)信息源以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)應(yīng)有自己的加鎖粒度級(jí)別。并且加鎖粒度級(jí)別是一個(gè)偏序關(guān)系，即數(shù)據(jù)層次是有大小的。
　　(2)加鎖粒度集：加鎖數(shù)據(jù)對(duì)象在某一加鎖粒度級(jí)別的集合。
　　(3)最小加鎖粒度集：加鎖數(shù)據(jù)對(duì)象在某一加鎖粒度級(jí)別中最小級(jí)別的集合。
　　(4)事務(wù)等待隊(duì)列：用于放置相沖突的事務(wù)。
　　假定Ti和Tj是一對(duì)加鎖沖突事務(wù)，Ti是對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象DB的加鎖請(qǐng)求者，而Tj是該數(shù)據(jù)對(duì)象的鎖持有者。Min－Gran(Ti)、Min－Gran(Tj)分別為T(mén)i、Tj對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象DB的最小加鎖粒度集。Lock－Gran(Ti)、Lock－Gran(Tj)分別為T(mén)i、Tj加鎖粒度級(jí)別。Gran(Ti)、Gran(Tj)分別為T(mén)i、Tj對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象DB的加鎖粒度集。
動(dòng)態(tài)加鎖粒度運(yùn)行機(jī)制的基本思想是：首先對(duì)將要運(yùn)行的事務(wù)Ti、Tj確定合適的加鎖粒度，然后計(jì)算沖突事務(wù)的Min－Gran(Ti)∩Min－Gran(Tj)，如果不為?覫，則說(shuō)明它們不能通過(guò)降低加鎖粒度避免沖突，從而將后運(yùn)行的事務(wù)置入事務(wù)等待隊(duì)列；如果為?覫，則降低沖突事務(wù)的加鎖粒度級(jí)別，直到事務(wù)可并發(fā)執(zhí)行為止。當(dāng)互相沖突的事務(wù)運(yùn)行完成后，再把還在運(yùn)行的事務(wù)的加鎖粒度調(diào)整到最初運(yùn)行時(shí)的加鎖粒度。
動(dòng)態(tài)加鎖粒度的兩段鎖算法如下：
Lock Action(Ti，Tj)
BEGIN
　　IF Conflicit(Ti，Tj) THEN　 //*檢查二事務(wù)是否沖突
   　Store Gran(Ti), Gran(Tj)　　//*保存事務(wù)的
　　　　　　　　　　　　　　 //原始加鎖粒度集
　　　　   IF Min－Gran(Ti)∩Min－Gran(Tj)=Φ THEN
　　　　       DO Decrease Lock－Gran(Ti)，Lock－Gran(Tj)
　　　　       UNTIL Gran(Ti)∩Gran(Tj)=Φ
　　　　　　　　　　　　　　//*降低加鎖粒度使二事務(wù)并發(fā)執(zhí)行
      　　　 Ti Lock Gran(Ti)
      　　　 Tj Lock Gran(Tj)
   　　　　ELSE
       　　　　Queue-Insert(Tj)//*Tj置入事務(wù)等待隊(duì)列
       　　　　Block Tj until Ti release the lock
   　　　ENDIF
  　　　 ELSE
       　　　　Ti Lock Gran(Ti)
       　　　　Tj Lock Gran(Tj)
　　ENDIF
　　IF Complete(Ti) THEN　　//*Ti事務(wù)執(zhí)行完畢，
　　　　　　　　　　　　　//恢復(fù)Tj事務(wù)的原始加鎖粒度集
        Restore Gran(Ti)
    　ENDIF
  　  IF Complete(Tj) THEN　　//*Tj事務(wù)執(zhí)行完畢，
　　    　　　　　　　　　　　//恢復(fù)Ti事務(wù)的原始加鎖粒度集
        Restore Gran(Tj)
        ENDIF　　　　　　　　//*其中一事務(wù)執(zhí)行完畢，
　　   　　　　　　　　　　//恢復(fù)另一事務(wù)的原始加鎖粒度集
　　END
　　以上算法說(shuō)明，對(duì)于一組事務(wù)T₁，T₂，……，T_n，其中每一個(gè)事務(wù)T_i(1≤i≤n)要先確定它的初始的加鎖粒度級(jí)別。通過(guò)對(duì)T_i、T_j(i≠j，1≤i≤n，1≤j≤n)的沖突檢測(cè)機(jī)制，確定它們是否能在已給定的加鎖粒度級(jí)別運(yùn)行。如果T_i、Tj沖突，再分別計(jì)算Min－Gran(Ti)、Min－Gran(Tj)，判定在最小加鎖粒度級(jí)別上是否沖突；如果不沖突就說(shuō)明可以把Ti、Tj的加鎖粒度同時(shí)降低到最小加鎖粒度級(jí)別后并發(fā)執(zhí)行，這樣就增加了事務(wù)運(yùn)行的并發(fā)度。由于該算法遵守2PL協(xié)議，從而保證了這一組事務(wù)的運(yùn)行是可串行化的，也就保證了數(shù)據(jù)的一致性。
　　上述算法使用了事務(wù)等待隊(duì)列機(jī)制，故在死鎖方面可以通過(guò)檢測(cè)隊(duì)列中等待事務(wù)的時(shí)間來(lái)確定。
4  結(jié)束語(yǔ)
　　在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)體系中，操作型數(shù)據(jù)環(huán)境(數(shù)據(jù)庫(kù))以及各種信息源也占有重要地位。在從信息源向數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)加載數(shù)據(jù)時(shí)，還要考慮到信息源自身的特點(diǎn)，如數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)用戶請(qǐng)求的實(shí)時(shí)相應(yīng)。關(guān)于通過(guò)動(dòng)態(tài)改變加鎖粒度來(lái)增加并發(fā)度的問(wèn)題，本文只涉及了一小部分，還有很多工作需要做，如選擇合適的加鎖粒度、信息源加鎖粒度級(jí)別的確定、事務(wù)等待隊(duì)列的機(jī)制等。
參考文獻(xiàn)
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