# Concurrency Control Theory

## 引入

回顾本课程的路线图：

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在前面的课程中介绍了 DBMS 的主要模块及架构，自底向上依次是 Disk Manager、Buffer Pool Manager、Access Methods、Operator Execution 及 Query Planning。但数据库要解决的问题并不仅仅停留在功能的实现上，它还需要具备：

* 满足多个用户同时读写数据，即 Concurrency Control，如：
  * 两个用户同时写入同一条记录
* 面对故障，如宕机，能恢复到之前的状态，即 Recovery，如：
  * 你在银行系统转账时，转到一半忽然停电

Concurrency Control 与 Recovery 都是 DBMSs 的重要特性，它们渗透在 DBMS 的每个主要模块中。而二者的基础都是具备 ACID 特性的 Transactions，因此本节的讨论从 Transactions 开始。

## Transactions

> A transaction is the execution of a sequence of one or more operations (e.g., SQL queries) on a shared database to perform some higher-level function.

用一句白话说，transaction 是 DBMS 状态变化的基本单位，一个 transaction 只能有执行和未执行两个状态，不存在部分执行的状态。

一个典型的 transaction 实例就是：从 A 账户转账 100 元至 B 账户：

* 检查 A 的账户余额是否超过 100 元
* 从 A 账户中扣除 100 元
* 往 B 账户中增加 100 元

### Strawman/Simple System

系统中只存在一个线程负责执行 transaction：

* 任何时刻只能有一个 transaction 被执行且每个 transaction 开始执行就必须执行完毕才轮到下一个
* 在 transaction 启动前，将整个 database 数据复制到新文件中，并在新文件上执行改动
  * 如果 transaction 执行成功，就用新文件覆盖原文件
  * 如果 transaction 执行失败，则删除新文件即可

Strawman System 的缺点很明显，无法利用多核计算能力并行地执行相互独立的多个 transactions，从而提高 CPU 利用率、吞吐量，减少用户的响应时间，但其难度也是显而易见的，获得种种好处的同时必须保证数据库的正确性和 transactions 之间的公平性。\
显然我们无法让 transactions 的执行过程在时间线上任意重叠，因为这可能导致数据的永久不一致。于是我们需要一套标准来定义数据的正确性。

### Formal Definitions

Database: A fixed set of named data objects (e.g., A, B, C, ...)\
Transaction: A sequence of read and write operations (e.g., R(A), W(B), ...)

transaction 的正确性标准称为 ACID：

* Atomicity："all or nothing"
* Consistency: "it looks correct to me"
* Isolation: "as if alone"
* Durability: "survive failures"

### Atomicity

Transaction 执行只有两种结果：

* 在完成所有操作后 Commit
* 在完成部分操作后主动或被动 Abort

DBMS 需要保证 transaction 的原子性，即在使用者的眼里，transaction 的所有操作要么都被执行，要么都未被执行。回到之前的转账问题，如果 A 账户转 100 元到 B 账户的过程中忽然停电，当供电恢复时，A、B 账户的正确状态应当是怎样的？--- 回退到转账前的状态。如何保证？

#### Logging

DBMS 在日志中按顺序记录所有 actions 信息，然后 undo 所有 aborted transactions 已经执行的 actions，出于审计和效率的原因，几乎所有现代系统都使用这种方式。

#### Shadow Paging

transaction 执行前，DBMS 复制相关 pages，让 transactions 修改这些复制的数据，仅当 transaction Commit 后，这些 pages 才对外部可见。现代系统中采用该方式的不多，包括 CouchDB, LMDB。

### Consistency

如果 DBMS 在 transaction 开始之前是 consistent，那么在执行完毕后也应当是 consistent。Transaction consistency 是 DBMS 必须保证的事情。

### Isolation

用户提交 transactions，不同 transactions 执行过程应当互相隔离，互不影响，每个 transaction 都认为只有自己在执行。但对于 DBMS 来说，为了提高各方面性能，需要恰如其分地向不同的 transactions 分配计算资源，使得执行又快又正确。这里的 “恰如其分” 的定义用行话来说，就是 concurrency control protocol，即 DBMS 如何认定多个 transactions 的重叠执行方式是正确的。总体上看，有两种 protocols：

* Pessimistic：不让问题出现，将问题扼杀在摇篮之中
* Optimistic：假设问题很罕见，一旦问题出现了再行处理

举例如下：假设 A, B 账户各有 1000 元，当下有两个 transactions：

* T1：从 A 账户转账 100 元到 B 账户
* T2：给 A、B 账户存款增加 6% 的利息

```sql
// T1
BEGIN
A = A - 100
B = B + 100
COMMIT

BEGIN
A = A * 1.06
B = B * 1.06
COMMIT
```

那么 T1、T2 发生后，可能的合理结果应该是怎样的？

尽管有很多种可能，但 T1、T2 发生后，A + B 的和应为 2000 \* 1.06 = 2120 元。DBMS 无需保证 T1 与 T2 执行的先后顺序，如果二者同时被提交，那么谁先被执行都是有可能的，但执行后的净结果应当与二者按任意顺序分别执行的结果一致，如：

* 先 T1 后 T2：A = 954， B = 1166 => A+B = 2120
* 先 T2 后 T1：A = 960， B = 1160 => A+B = 2120

执行过程如下图所示：

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Lcut8zTn7Akdy-vPFlR%2F-LcvARiJ8r94h05pln1D%2FScreen%20Shot%202019-04-20%20at%2010.36.50%20PM.jpg?alt=media\&token=00b510eb-a5ec-45fe-b77d-ab6a06ca859f)

当一个 transaction 在等待资源 (page fault、disk/network I/O) 时，或者当 CPU 存在其它空闲的 Core 时，其它 transaction 可以继续执行，因此我们需要将 transactions 的执行重叠 (interleave) 起来。

Example 1 (Good)

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2Z7ms19nsCGVkc6pk%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.40.36%20PM.jpg?alt=media\&token=c1efa827-12e2-487a-8d4b-d8281efd44a3)

Example 2 (Bad)

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2ZH2NbX1aUNYulZzC%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.42.08%20PM.jpg?alt=media\&token=7c9f51a5-c47d-472a-80d2-5aee3f9f7ada)

从 DBMS 的角度分析第二个例子：

* A = A - 100 => R(A), W(A)
* ...

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2ZbHnJxKOA4xrREA9%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.43.44%20PM.jpg?alt=media\&token=98c6b5ff-aba7-4f2f-a9e9-748a512e1940)

如何判断一种重叠的 schdule 是正确的？

> If the schedule is equivalent to some serial execution

这里明确几个概念：

* Serial Schedule: 不同 transactions 之间没有重叠
* Equivalent Schedules: 对于任意数据库起始状态，若两个 schedules 分别执行所到达的数据库最终状态相同，则称这两个 schedules 等价
* Serializable Schedule: 如果一个 schedule 与 transactions 之间的某种 serial execution 的效果一致，则称该 schedule 为 serializable schedule

#### Conflicting Operations

在对 schedules 作等价分析前，需要了解 conflicting operations。当两个 operations 满足以下条件时，我们认为它们是 conflicting operations：

* 来自不同的 transactions
* 对同一个对象操作
* 两个 operations 至少有一个是 write 操作

可以穷举出这几种情况：

* Read-Write Conflicts (R-W)
* Write-Read Conflicts (W-R)
* Write-Write Conflicts (W-W)

_Read-Write Conflicts/Unrepeatable Reads_

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2bdGLZFHxKn4j5jyu%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.56.59%20PM.jpg?alt=media\&token=f790952a-9c64-498f-b2d8-eeb3f509499f)

_Write-Read Conflicts/Reading Uncommitted Data/Dirty Reads_

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2byQOw-SjbrFm58nI%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.58.01%20PM.jpg?alt=media\&token=460daadb-5be6-4a7f-b180-170eb8060bed)

_Write-Write Conflicts/Overwriting Uncommitted Data_

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-Ld2Z54nuQcC1eqJxEsD%2F-Ld2c5sHk911dFVCtMqg%2FScreen%20Shot%202019-04-22%20at%201.58.59%20PM.jpg?alt=media\&token=5bd9dd8d-bba2-4758-9507-c2f95cfe8554)

从以上例子可以理解 serializability 对一个 schedule 意味着这个 schedule 是否正确。serializability 有两个不同的级别：

* Conflict Serializability (Most DBMSs try to support this)：
  * 两个 schedules 在 transactions 中有相同的 actions，且每组 conflicting actions 按照相同顺序排列，则称它们为 conflict equivalent
  * 一个 schedule  S 如果与某个 serial schedule 是 conflict equivalent，则称 S 是 conflict serializable
  * 如果通过交换不同 transactions 中连续的 non-conflicting operations 可以将 S 转化成 serial schedule，则称 S 是 conflict serializable
* View Serializability (No DBMS can do this)

例 1：将 conflict serializable schedule S 转化为 serial schedule

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdCdP-burZWkhWdoMaP%2F-LdCgSVEXsultXNNZFLA%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%2012.54.14%20PM.jpg?alt=media\&token=c6dec198-b546-4e83-8e70-ff6729c36fc7)

R(B) 与 W(A) 不矛盾，是 non-conflicting operations，可以交换它们



![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdChJLDEgOtT9muvCHq%2F-LdCgaTtPUzY__K0-n76%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%2012.54.31%20PM.jpg?alt=media\&token=fdd7c8c0-00b9-4eea-9aa4-cb6e0e487637)

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdChJLDEgOtT9muvCHq%2F-LdCgfImzjYRRD9Emw86%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%2012.55.10%20PM.jpg?alt=media\&token=76265a35-be3f-4fd8-80ab-2991118f5361)

R(B) 与 R(A) 是 non-conflicting operations，交换它们

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdChJLDEgOtT9muvCHq%2F-LdCgpJ4EgHsX5Tu0VNh%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%2012.55.52%20PM.jpg?alt=media\&token=b1d87176-ab33-42e2-89ab-b1ee12e204a2)

依次类推，分别交换 W(B) 与 W(A)，W(B) 与 R(A) 就能得到：

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdChJLDEgOtT9muvCHq%2F-LdChPSq4OxUpbUnFKTH%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%2012.57.24%20PM.jpg?alt=media\&token=19592110-b6f8-4356-b5ce-c31ab613b089)

因此 S 为 conflict serializable。

例 2：S 无法转化成 serial schedule

![](https://1008303647-files.gitbook.io/~/files/v0/b/gitbook-legacy-files/o/assets%2F-LMjQD5UezC9P8miypMG%2F-LdChJLDEgOtT9muvCHq%2F-LdChnA4mnmOn4_514pc%2FScreen%20Shot%202019-04-24%20at%201.00.05%20PM.jpg?alt=media\&token=1a179d15-4005-4356-aa53-700b28618aaf)

由于两个 W(A) 之间是矛盾的，无法交换，因此 S 无法转化成 serial schedule。

_Faster Algorithms To Test Serializability_

上文所述的交换法在检测两个 transactions 构成的 schedule 很容易，但要检测多个 transactions 构成的 schedule 是否 serializable 则显得别扭。有没有更快的算法来完成这个工作？







