17245

Решение проблем параллелизма при помощи блокировок

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Лекция №9 Решение проблем параллелизма при помощи блокировок Проанализируем поведение транзакций вступающих в конфликт при доступе к одним и тем же данным. Проблема потери результатов обновления Две транзакции по очереди записывают некоторые данные в одну и ту ж...

Русский

2013-06-30

164.5 KB

6 чел.

Лекция №9

Решение проблем параллелизма при помощи блокировок

Проанализируем, поведение транзакций, вступающих в конфликт при доступе к одним и тем же данным.

Проблема потери результатов обновления

Две транзакции по очереди записывают некоторые данные в одну и ту же строку и фиксируют изменения.

Время

Транзакция A

Транзакция B

S-блокировка

- доступна

---

Чтение

---

---

S-блокировка

- доступна

---

Чтение

X-блокировка

- недоступна

---

Ожидание…

X-блокировка

- недоступна

Ожидание…

Ожидание…

 

Ожидание…

Ожидание…

Обе транзакции успешно накладывают S-блокировки и читают объект . Транзакция A пытается наложить X-блокирокировку для обновления объекта . Блокировка отвергается, т.к. объект уже S-заблокирован транзакцией B. Транзакция A переходит в состояние ожидания до тех пор, пока транзакция B не освободит объект. Транзакция B, в свою очередь, пытается наложить X-блокирокировку для обновления объекта . Блокировка отвергается, т.к. объект уже S-заблокирован транзакцией A. Транзакция B переходит в состояние ожидания до тех пор, пока транзакция A не освободит объект.

Результат. Обе транзакции ожидают друг друга и не могут продолжаться. Возникла ситуация тупика (взаимоблокировки).

Проблема незафиксированной зависимости (чтение "грязных" данных)

Транзакция B изменяет данные в строке. После этого транзакция A читает измененные данные и работает с ними. Транзакция B откатывается и восстанавливает старые данные.

Время

Транзакция A

Транзакция B

---

S-блокировка

- доступна

---

Чтение

---

X-блокировка

- доступна

---

Запись

S-блокировка

- недоступна

---

Ожидание…

Откат транзакции

(Блокировка снимается)

S-блокировка

- доступна

---

Чтение

---

Работа с прочитанными данными

---

---

---

COMMIT

---

 

Все правильно

 

Результат. Транзакция A притормозилась до окончания (отката) транзакции B. После этого транзакция A продолжила работу в обычном режиме и работала с правильными данными. Конфликт разрешен за счет некоторого увеличения времени работы транзакции A (потрачено время на ожидание снятия блокировки транзакцией B).

Проблема несовместимого анализа

Неповторяемое считывание

Транзакция A дважды читает одну и ту же строку. Между этими чтениями вклинивается транзакция B, которая изменяет значения в строке.

Время

Транзакция A

Транзакция B

S-блокировка

- доступна

---

Чтение

---

---

X-блокировка

- недоступна

---

Ожидание…

Повторное чтение

Ожидание…

COMMIT
(Блокировка снимается)

Ожидание…

---

X-блокировка

- доступна

---

Запись

---

COMMIT
(Блокировка снимается)

 

Все правильно

 

Результат. Транзакция B притормозилась до окончания транзакции A. В результате транзакция A дважды читает одни и те же данные правильно. После окончания транзакции A, транзакция B продолжила работу в обычном режиме.

Фиктивные элементы (фантомы)

Транзакция A дважды выполняет выборку строк с одним и тем же условием. Между выборками вклинивается транзакция B, которая добавляет новую строку, удовлетворяющую условию отбора.

Время

Транзакция A

Транзакция B

S-блокировка строк, удовлетворяющих условию .
(Заблокировано n строк)

---

Выборка строк, удовлетворяющих условию .
(Отобрано n строк)

---

---

Вставка новой строки, удовлетворяющей условию .

---

COMMIT

S-блокировка строк, удовлетворяющих условию .
(Заблокировано n+1 строка)

---

Выборка строк, удовлетворяющих условию .
(Отобрано n+1 строк)

---

COMMIT

---

 

Появились строки, которых раньше не было

 

Результат. Блокировка на уровне строк не решила проблему появления фиктивных элементов.

Несовместимый анализ данных

Длинная транзакция выполняет некоторый анализ по всей таблице, например, подсчитывает общую сумму денег на счетах клиентов банка для главного бухгалтера. Пусть на всех счетах находятся одинаковые суммы, например, по 100 у.е. Короткая транзакция в этот момент выполняет перевод 50 у.е. с одного счета на другой так, что общая сумма по всем счетам не меняется.

Время

Транзакция A

Транзакция B

S-блокировка счета - успешно

---

Чтение счета и суммирование.

---

---

X-блокировка счета - успешно

---

Снятие денег со счета .

---

X-блокировка счета - недоступно

---

Ожидание…

S-блокировка счета - успешно

Ожидание…

Чтение счета и суммирование.

Ожидание…

S-блокировка счета - недоступно

Ожидание…

Ожидание…

Ожидание…

 

Ожидание…

Ожидание…

Результат. Обе транзакции ожидают друг друга и не могут продолжаться. Возникла ситуация тупика (взаимоблокировки).

Разрешение тупиковых ситуаций

При использовании протокола доступа к данным с использованием блокировок часть проблем разрешилось (не все), но возникла новая проблема – тупики (взаимоблокировки):

  •  Проблема потери результатов обновления - возник тупик.
  •  Проблема незафиксированной зависимости (чтение "грязных" данных, неаккуратное считывание) - проблема разрешилась.
  •  Неповторяемое считывание - проблема разрешилась.
  •  Появление фиктивных элементов - проблема не разрешилась.
  •  Проблема несовместимого анализа данных - возник тупик.

Общий вид тупика (dead locks) следующий:

Время

Транзакция A

Транзакция B

Блокировка объекта - успешна

---

---

Блокировка объекта -успешна

Блокировка объекта - конфликтует с блокировкой, наложенной транзакцией B

---

Ожидание…

Блокировка объекта - конфликтует с блокировкой, наложенной транзакцией A

Ожидание…

Ожидание…

 

Ожидание…

Ожидание…

Т.к. нормального выхода из тупиковой ситуации нет, то такую ситуацию необходимо распознавать и устранять. Методом разрешения тупиковой ситуации является откат одной из транзакций (транзакции-жертвы) так, чтобы другие транзакции продолжили свою работу. После разрешения тупика, транзакцию, выбранную в качестве жертвы можно повторить заново.

Выделяют два принципиальных подхода к обнаружению тупиковой ситуации и выбору транзакции-жертвы:

  1.  СУБД не следит за возникновением тупиков. Транзакции сами принимают решение, быть ли им жертвой.
  2.  За возникновением тупиковой ситуации следит сама СУБД, она же принимает решение, какой транзакцией пожертвовать.

Первый подход характерен для так называемых настольных СУБД (Access, FoxPro и т.п.). Этот метод является более простым и не требует дополнительных ресурсов системы. Для транзакций задается время ожидания (или число попыток), в течение которого транзакция пытается установить нужную блокировку. Если за указанное время (или после указанного числа попыток) блокировка не завершается успешно, то транзакция откатывается (или генерируется ошибочная ситуация). За простоту этого метода приходится платить тем, что транзакции-жертвы выбираются, вообще говоря, случайным образом. В результате из-за одной простой транзакции может откатиться очень дорогая транзакция, на выполнение которой уже потрачено много времени и ресурсов системы.

Второй способ характерен для промышленных СУБД (ORACLE, MS SQL Server и т.п.). В этом случае система сама следит за возникновением ситуации тупика, путем построения (или постоянного поддержания) графа ожидания транзакций.

Основой обнаружения тупиковых ситуаций является построение (или постоянное поддержание) графа ожидания транзакций.

Граф ожидания транзакций - это ориентированный двудольный граф, в котором существует два типа вершин - вершины, соответствующие транзакциям, и вершины, соответствующие объектам захвата. В этом графе существует дуга, ведущая из вершины-транзакции к вершине-объекту, если для этой транзакции существует удовлетворенный захват объекта. В графе существует дуга из вершины-объекта к вершине-транзакции, если транзакция ожидает удовлетворения захвата объекта.

Например:

где P1, P2, P3 – параллельные транзакции, R – элемент обработки.

Одну из транзакций, попавших в цикл, необходимо откатить, причем, система сама может выбрать эту транзакцию в соответствии с некоторыми стоимостными соображениями (например, самую короткую, или с минимальным приоритетом и т.п.).

Устно. Для распознавания тупика периодически производится построение графа ожидания транзакций (иногда граф ожидания поддерживается постоянно), и в этом графе ищутся циклы. Традиционной техникой (для которой существует множество разновидностей) нахождения циклов в ориентированном графе является редукция графа.

Прежде всего, из графа ожидания удаляются все дуги, исходящие из вершин-транзакций, в которые не входят дуги из вершин-объектов. (Это как бы соответствует той ситуации, что транзакции, не ожидающие удовлетворения захватов, успешно завершились и освободили захваты). Для тех вершин-объектов, для которых не осталось входящих дуг, но существуют исходящие, ориентация исходящих дуг изменяется на противоположную (это моделирует удовлетворение захватов). После этого снова срабатывает первый шаг и так до тех пор, пока на первом шаге не прекратится удаление дуг. Если в графе остались дуги, то они обязательно образуют цикл.

Разрушение тупика начинается с выбора в цикле транзакций транзакции-жертвы. Стоимость транзакции для исключения определяется на основе многофакторной оценки, в которую с разными весами входят время выполнения, число накопленных захватов, приоритет. После отката транзакции-жертвы освобождаются захваты, и может быть продолжено выполнение других транзакций.

Для простоты изображения можно использовать другое определение графа ожидания.

Определение. Граф ожидания представляет собой ориентированный граф G = (V, E), состоящий из множества вершин V – определяющих выполняемые транзакций и множества ориентированных ребер или дуг E – формируемых следующим образом:

  1.  Создается вершина, соответствующая каждой транзакции.
  2.  Создается дуга  B, если транзакция A ожидает освобождение элемента данных, заблокированного в настоящее время транзакцией B.

Взаимоблокировка имеет место, если граф ожидания содержит цикл.

Например. Построим граф ожидания для примера взаимоблокировки при устранении проблемы потери результатов обновления (см. график выше).


A

B: S - locks

A: X - locks

Конфликт R – W

Ожидание…

A: X - locks

B: X - locks

Конфликт W - W

Ожидание…


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11046. Промышленные роботы. Основные определения и классификация 295.5 KB
  Промышленные роботы. Основные определения и классификация. Общие сведения о промышленных роботах Исторически мехатроника развивается в основном на базе робототехники. Однако мехатронный подход может быть реализован отнюдь не только в робото
11047. Манипуляторы робототехнических систем 219.5 KB
  Манипуляторы робототехнических систем 6.1. Манипулятор. Кинематические пары цепи и схемы. Базовым элементом робота является манипулятор механизм обладающий несколькими степенями подвижности который предназначен для перемещения и ориентации объектов ...
11048. Кинематика манипулятора. Прямая и обратная задача. Геометрия рабочего пространства 179.5 KB
  Кинематика манипулятора. Прямая и обратная задача. Геометрия рабочего пространства. 7.1 Общие сведения о кинематике манипуляторов. В процессе изучения кинематических свойств многозвенных механизмов возникает необходимость описания движения их звеньев без уче...
11049. Мехатронные транспортные средства, устройства бытового и медицинского назначения. Периферийные устройства компьютеров как мехатронные объекты 513.5 KB
  Мехатронные транспортные средства устройства бытового и медицинского назначения. Периферийные устройства компьютеров как мехатронные объекты. 8.1 Мехатронные транспортные средства. Современная автомобильная МС включает как правило целый ряд подсистем выполн
11050. Информационные системы в мехатронике 96.5 KB
  Информационные системы в мехатронике 1. Место и роль информационных систем Информационная система ИС представляет собой совокупность функционально объединенных измерительных вычислительных и других вспомогательных технических средств предназначенных для получ
11051. Первичные измерительные преобразователи 139.5 KB
  Первичные измерительные преобразователи Основные определения Измерительный преобразователь ИП средство измерения предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала измеряемой величины в выходной сигнал более удобный для дальнейшего преобра...
11052. Принципы передачи и преобразования информации 130 KB
  Принципы передачи и преобразования информации Во многих встречающихся на практике случаях функциональный блок мехатронного устройства являющийся потребителем информации удален от первичного источника информации например датчика на некоторое иногда довольно зна...
11053. Системы управления мехатронными объектами 123 KB
  Системы управления мехатронными объектами Мехатронные объекты являются ярким примером реализации сложных законов управления. Системы управления применимы в тех случаях когда объект процесс обладает управляемостью т.е. существует возможность изменения его некотор...
11054. Построение структуры системы управления, программная реализация регуляторов 136 KB
  Построение структуры системы управления программная реализация регуляторов Большинство систем процессорного компьютерного управления содержат в своем составе различные регуляторы выполненные программным образом либо реализованные аппаратно. В настоящее время н...