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Kapitel 10 Dr. Brigitte Mathiak Transaktionsverwaltung Lernziele • Begriff und Eigenschaften von Transaktionen • Mehrbenutzer-Synchronisation Theorie der Serialisierbarkeit Zwei-Phasen-Sperrprotokolle Deadlocks und deren Vermeidung Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 2 Transaktionsverwaltung Beispiel einer typischen Transaktion in einer Bankanwendung: 1. Lese den Kontostand von A in die Variable a : read(A,a); 2. Reduziere den Kontostand um 50 EUR: a:= a – 50; 3. Schreibe den neuen Kontostand in die Datenbasis: write(A,a); 4. Lese den Kontostand von B in die Variable b: read(B,b); 5. Erhöhe den Kontostand um 50 EUR: b := b + 50; 6. Schreibe den neuen Kontostand in die Datenbasis: write(B, b); Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 3 Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb Verlorengegangene Änderungen (lost update) Überweisung Zinsen Datenbanken, WS/SS 12 Schritt T1 1. read(A,a1) 2. a1 := a1 – 300 T2 3. read(A,a2) 4. a2 := a2 * 1.03 5. write(A,a2) 6. write(A,a1) 7. read(B,b1) 8. b1 := b1 + 300 9. write(B,b1) Kapitel 10: Transaktionsverwaltung A B 200 300 206 -100 300 600 4 Operationen auf Transaktions-Ebene In den klassischen Transaktionssystemen: begin of transaction (BOT): Mit diesem Befehl wird der Beginn einer eine Transaktion darstellende Befehlsfolge gekennzeichnet. commit: Hierdurch wird die Beendigung der Transaktion eingeleitet. Alle Änderungen der Datenbasis werden durch diesen Befehl festgeschrieben, d.h. sie werden dauerhaft in die Datenbank eingebaut. abort: Dieser Befehl führt zu einem Selbstabbruch der Transaktion. Das Datenbanksystem muss sicherstellen, dass die Datenbasis wieder in den Zustand zurückgesetzt wird, der vor Beginn der Transaktionsausführung existierte. Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 5 Abschluss einer Transaktion Für den Abschluss einer Transaktion gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Den erfolgreichen Abschluss durch ein commit. 2. Den erfolglosen Abschluss durch ein abort. Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 6 Eigenschaften von Transaktionen: ACID Atomicity (Atomarität) Alles oder nichts ! Consistency Konsistenter DB-Zustand muss in konsistenten Zustand übergehen ! Isolation Jede Transaktion hat die DB „für sich allein“ Durability (Dauerhaftigkeit) Änderungen erfolgreicher Transaktionen dürfen nie verloren gehen Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 7 Transaktionsverwaltung in SQL commit work Die in der Transaktion vollzogenen Änderungen werden – falls keine Konsistenzverletzung oder andere Probleme aufgedeckt werden – festgeschrieben. Schlüsselwort work ist optional rollback work Alle Änderungen sollen zurückgesetzt werden. Anders als der commit-Befehl muss das DBMS die „erfolgreiche“ Ausführung eines rollback-Befehls immer garantieren können. Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 8 Transaktionsverwaltung in SQL Beispielsequenz auf Basis des Universitätsschemas: INSERT INTO Vorlesungen values (5275, 'Kernphysik', 3, 2141); INSERT INTO Professoren values (2141, 'Meitner', 'C4', 205); COMMIT Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 9 Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb Verlorengegangene Änderungen (lost update) Überweisung Zinsen Datenbanken, WS/SS 12 Schritt T1 1. read(A,a1) 2. a1 := a1 – 300 T2 3. read(A,a2) 4. a2 := a2 * 1.03 5. write(A,a2) 6. write(A,a1) 7. read(B,b1) 8. b1 := b1 + 300 9. write(B,b1) Kapitel 10: Transaktionsverwaltung A B 200 300 206 -100 300 600 10 Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb II Abhängigkeit von nicht freigegebenen Änderungen Datenbanken, WS/SS 12 Schritt T1 1. 2. read(A,a1) a1 := a1 – 300 3. write(A,a1) T2 4. read(A,a2) 5. a2 := a2 * 1.03 6. write(A,a2) 7. read(B,b1) 8. ... 9. abort Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 11 Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb III Phantomproblem T1 T2 select sum(KontoStand) from Konten insert into Konten values (C,1000,...) select sum(Kontostand) from Konten Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 12 Der Datenbank-Scheduler T1 T2 T3 ...... Tn Transaktions-Manager TM Scheduler Daten-Manager Recovery-Manager Puffer-Manager Datenbank Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 13 Aufgabe des Schedulers Reihung der Operationen verschiedener Transaktionen, so dass die einzelnen Transaktionen - Bis zuletzt ohne kaskadierendes Rollback rücksetzbar sind (Atomicity) - Keine ungültigen Datenzustände erzeugen können (Consistency) - Die Parallelität zu anderen Transaktionen nicht bemerken (Isolation) - Committete Änderungen dauerhaft vorliegen (Durability) Verschiedene Ansätze möglich: - sperrbasierte Synchronisation (am meisten benutzt) Pessimistische Synchronisation - Zeitstempel-basierte Synchronisation - optimistische Synchronisation (bei vorwiegend lesenden Zugriffen) Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 14 Sperrbasierte Synchronisation Sichert Serialisierbarkeit zu Zwei Sperrmodi S (shared, read lock, Lesesperre): X (exclusive, write lock, Schreibsperre): Verträglichkeitsmatrix (auch Kompatibilitätsmatrix genannt) Datenbanken, WS/SS 12 NL S X S - X - - Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 15 Zwei-Phasen-Sperrprotokoll (2PL): Definition Jedes Objekt, das von einer Transaktion benutzt werden soll, muss vorher entsprechend gesperrt werden. Eine Transaktion fordert eine Sperre, die sie schon besitzt, nicht erneut an. Eine Transaktion muss die Sperren anderer Transaktionen auf dem von ihr benötigten Objekt gemäß der Verträglichkeitstabelle beachten. Wenn die Sperre nicht gewährt werden kann, wird die Transaktion in eine entsprechende Warteschlange eingereiht – bis die Sperre gewährt werden kann. Jede Transaktion durchläuft zwei Phasen: Eine Wachstumsphase, in der sie Sperren anfordern, aber keine freigeben darf und eine Schrumpfphase, in der sie ihre bisher erworbenen Sperren freigibt, aber keine weiteren anfordern darf. Bei EOT (Transaktionsende) muss eine Transaktion alle ihre Sperren zurückgeben. Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 16 Zwei-Phasen Sperrprotokoll: Grafik #Sperren Wachstum Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung Schrumpfung Zeit 17 Verzahnung zweier TAs gemäß 2PL T1 modifiziert nacheinander die Datenobjekte A und B (z.B. eine Überweisung) T2 liest nacheinander dieselben Datenobjekte A und B (z.B. zur Aufsummierung der beiden Kontostände). Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 18 Verzahnung zweier TAs gemäß 2PL Schritt T1 1. BOT 2. lockX(A) 3. read(A) 4. write(A) T2 5. BOT 6. lockS(A) 7. lockX(B) 8. read(B) 9. unlockX(A) read(A) 11. lockS(B) write(B) 13. unlockX(B) 14. 15. T2 muss warten T2 wecken read(B) commit 16. unlockS(A) 17. unlockS(B) 18. commit Datenbanken, WS/SS 12 T2 muss warten T2 wecken 10. 12. Bemerkung Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 19 Strenges Zwei-Phasen Sperrprotokoll 2PL schließt kaskadierendes Rücksetzen nicht aus Erweiterung zum strengen 2PL: - alle Sperren werden bis EOT gehalten - damit ist kaskadierendes Rücksetzen ausgeschlossen - Verhindert allerdings keine Deadlocks #Sperren Wachstumsphase EOT Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung Zeit 20 Verklemmungen (Deadlocks) Ein verklemmter Schedule Schritt T1 1. BOT 2. lockX(A) T2 3. BOT 4. lockS(B) 5. read(B) 6. read(A) 7. write(A) 8. lockX(B) 9. 10. Datenbanken, WS/SS 12 ... Bemerkung T1 muss warten auf T2 lockS(A) T2 muss warten auf T1 ... Deadlock Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 21 Verklemmungen a: können entdeckt und dann aufgelöst b: oder gleich vermieden werden. Beides ist u.U. teuer. Mögliche Techniken: Ad a: 1. Time-Out (Transaktionen, die zu lange warten, werden abortet) 2. Zyklenerkennung (Es wird parallel analysiert wer auf wen wartet und dann intelligent und gezielt abortet) Ad b: 3. Preclaiming (Transaktion setzen alle Locks gleich Anfang) 4. Zeitstempel (Man wartet nicht auf jüngere Transaktionen) Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 22 Deadlocks sind fatal für die Performance Umso mehr Transaktionen pro Zeit stattfinden umso höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass zwei sich gegenseitig locken Umso aufwändiger ist die Deadlockbehandlung Umso langsamer wird das System Ressourcen Datenbanken, WS/SS 12 -> bis zum Stillstand (ungraceful failure) Kapitel 10: Transaktionsverwaltung #Transaktionen pro Zeit 23 Transaktionspuffer Es werden nicht mehr Transaktionen gleichzeitig ausgeführt als das System verkraften kann. Der Preis sind verschiedene Limitierungen: • Bei Überlast werden zunächst Transaktionen später begonnen, • dann werden Transaktionen direkt abgewiesen • Transaktionen, die zu lange dauern, werden abgebrochen Ressourcen Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung #Transaktionen pro Zeit 24 Fazit Bei Mehrbenutzerbetrieb kann es zu Fehlern kommen Um das zu vermeiden gibt es Transaktionen Transaktionen gehorchen dem ACID Prinzip Diese werden von der Datenbank mit Hilfe von Locks realisiert Locks können zu Deadlocks führen Diese müssen erst aufgelöst werden (z.B. mit Zeitstempeln) Trotzdem ist das schlecht für die Performanz -> die meisten Datenbanken sind daher sehr konservativ Datenbanken, WS/SS 12 Kapitel 10: Transaktionsverwaltung 25
