Transakcje Przedmiot: Bazy Danych Prowadzący: mgr inż. Leszek Siwik Autorzy: Grzegorz Szymczyk Damian Wieczorek

Plan wykładu  Wstęp  Model ACID, założenia teoretyczne transakcji  Implementacja obsługi transakcji  wykonywanych szeregowo  wykonywanych równolegle  Zaawansowane zagadnienia związane z transakcjami

Wstęp Transakcja – fragment programu, który z punktu widzenia użytkownika (logiki systemu):  jest operacją niepodzielną  zachowuje spójność danych Transakcja albo jest wykonana w całości, albo w ogóle. Przykład: Przelew pieniędzy z jednego konta bankowego na drugie.

Model ACID  Atomicity (niepodzielność) – transakcja jest wykonana w całości, albo w ogóle nie jest wykonana.  Consistency (spójność) – transakcja nie może wykonywać operacji niezgodnych z logiką systemu (musi zachować spójność danych).  Isolation (izolacja) – System zapewnia, że transakcje nie są świadome swego równoległego wykonywania (mają wrażenie, że są wykonywane szeregowo).  Durability (trwałość) – dokonanie transakcji ma trwały efekt (nawet w przypadku awarii sprzętu lub systemu).

Przykład: ACID i przelewy bankowe ;) T i : read(A); A = A - 50; write(A);read(B); B = B + 50; write(B); Spójność: A+B – stałe. Zapewnienie spójności jest zadaniem programisty tworzącego transakcję. Niepodzielność – jeśli transakcja nie zostanie wykonana niepodzielnie, to albo „zgubimy” część pieniędzy, albo je „utworzymy”. Trwałość – jeśli transakcja nie będzie trwała w skutkach (na przykład po awarii systemu), to użytkownik może dostać informację o jej dokonaniu, natomiast faktycznie nie będzie ona dokonana. Oczywiście nie jest to sytuacja pożądana. Izolacja – Po zmianie zawartości konta A, ale przed zmianą zawartości B, system jest chwilowo w stanie niespójnym. Ani użytkownik, ani inne transakcje, nie powinny w tym czasie mieć dostępu do A i B.

Stany transakcji  Aktywna – stan początkowy, transakcja podczas wykonywania jest w stanie aktywnym.  Częściowo dokonana – po wykonaniu wszystkich instrukcji, przed zakończeniem.  Niepowodzenie – gdy transakcja nie może dalej kontynuować swojego normalnego działania (błąd).  Wycofana – transakcja jest anulowana, baza danych znajduje się w takim stanie, w jakim była przed uruchomieniem transakcji  Dokonana – po zakończeniu transakcji sukcesem.

Diagram stanów transakcji Po napotkaniu błędu transakcja jest wycofywana. Następnie może zostać: wykonana ponownie (jeśli źródłem błędu była awaria sprzętu zaniechana (jeśli źródłem błędu był błąd logiczny wewnątrz transakcji)

Implementacja  Implementacja niepodzielności i trwałości  Równoległe wykonywanie transakcji  Szeregowalność  Naprawialność

Implementacja niepodzielności i trwałości Problem: transakcja składa się z operacji, które nie są wykonywane niepodzielnie. Proste rozwiązanie: wykonywać operacje na kopii, a następnie zamienić oryginalną bazę danych z kopią. Założenia:  Operacja zamiany oryginalnej bazy danych z kopią jest niepodzielna (można to uzyskać poprzez użycie wskaźnika do bazy)  Transakcje nie są wykonywane równolegle. Metoda ta jest prymitywna i nieefektywna.

Równoległe wykonywanie transakcji Za:  Lepsze wykorzystanie zasobów.  Mniejszy czas odpowiedzi. Przeciw:  Naturalnym sposobem wykonania transakcji jest wykonywanie szeregowe.  Trudności z utrzymaniem spójności BD przy równoległym wykonywaniu transakcji.

Przykład poprawnego planu równoległego TiTiTiTi TjTjTjTj read(A) A = A – 50 write(A)read(B) B = B + 50 write(B)read(A) tmp = A * 0,22 A = A - tmp write(A)read(B) B = B + tmp write(B) TiTiTiTi TjTjTjTjread(A) A = A – 50 write(A)read(B) B = B + 50 write(B)read(A) tmp = A * 0,22 A = A - tmp write(A)read(B) B = B + tmp write(B) Plan szeregowyRównoważny plan równoległy

Przykład błędnego planu równoległego TiTiTiTi TjTjTjTj read(A) A = A – 50 write(A)Read(B) B = B + 50 Write(B)read(A) tmp = A * 0,22 A = A - tmp write(A)Read(B) B = B + tmp Write(B) TiTiTiTi TjTjTjTjread(A) A = A – 50 write(A)Read(B) B = B + 50 Write(B)read(A) tmp = A * 0,22 A = A - tmp write(A)Read(B) B = B + tmp Write(B) Plan szeregowyBłędny plan równoległy

Szeregowalność  System musi zapewnić poprawność równoległego wykonywania transakcji (tzn. efekt wykonania równoległego, musi być taki sam jak efekt wykonania szeregowego).  System nie może analizować działania całego kodu transakcji, zamiast tego interesują go tylko instrukcje odczytu (read) oraz zapisu (write).  Omówimy dwie metody sprawdzania poprawności równoległego wykonywania transakcji:  Szeregowalność konfliktowa (conflict serializability)  Szeregowalność widokowa (view serializability)

Szeregowalność konfliktowa  Jeśli dwie instrukcje z różnych transakcji odwołują się do tej samej danej i przynajmniej jedna z nich jest operacją zapisu, to mówimy, że instrukcje te są w konflikcie ze sobą.  Jeśli możemy przetransformować dany plan równoległy S’ do planu szeregowego S poprzez zamiany instrukcji nie będących w konflikcie, to plan S’ jest konfliktowo równoważny planowi S.  Każdy plan równoległy konfliktowo równoważny planowi szeregowemu S, ma taki sam efekt końcowy jak S.

Przykład TiTiTiTi TjTjTjTj read(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) TiTiTiTi TjTjTjTjread(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) Czy lewy plan wykonania jest konfliktowo równoważny prawemu (szeregowemu)?

Przykład C.D. TiTiTiTi TjTjTjTj read(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) TiTiTiTi TjTjTjTjread(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) Sprawdźmy, czy można przetransformować ten plan do planu szeregwego. Zamieniamy kolejność instrukcji nie konfliktujących ze sobą:

Przykład C.D. TiTiTiTi TjTjTjTj read(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) TiTiTiTi TjTjTjTjread(A)write(A)read(B)write(B)read(A)write(A)read(B)write(B) Udaje nam się przetransformować plan równoległy do planu szeregowego. Plan równoległy jest równoważny konfliktowo planowi szeregowemu, zatem jest poprawny.

Szeregowalność widokowa Plan wykonania S jest równoważny widokowo planowi S’, jeśli dla każdej danej Q jest spełnione:  jeśli w planie S transakcja T i odczytuje wartość początkową Q, to w planie S’ T i również musi odczytać wartość początkową Q.  jeśli w planie S transakcja T i odczytuje wartość Q wyprodukowaną przez T j, to w planie S’ T i również musi odczytać wartość wyprodukowaną przez T j.  jeśli w planie S transakcja T i zapisuje wartość końcową Q, to w planie S’ T i również musi zapisać wartość końcową Q.

Naprawialność (recoverability) Jeśli jakaś transakcja będzie musiała być wycofana, niektóre plany szeregowalne mogą okazać się błędne. Przykład: T1T1T1T1 T2T2T2T2 read(A)write(A)read(B)read(A) Transakcja T 2 może zostać dokonana zaraz po odczycie A, natomiast transakcja T 1 nie jest jeszcze zakończona i może zostać wycofana. Wtedy transakcja T 2 również powinna zostać wycofana. Nie można tego zrobić, ponieważ została już wcześniej dokonana. Taka sytuacja jest niepożądana.

Plany kaskadowe Nawet jeśli plan jest naprawialny, to może wystąpić zjawisko kaskadowego wycofywania: T1T1T1T1 T2T2T2T2 T3T3T3T3 read (A) read (B) write (A) read (A) write (B) read (A) Przedstawiony plan jest naprawialny, ale jeśli transakcja T 1 zostanie wycofana, trzeba będzie również wycofać transakcję T 2 oraz T 3. Takie zjawisko jest niekorzystne.

Zaawansowane techniki w transakcjach  Zdalne kopie zapasowe  Monitory przetwarzania transakcji  Systemy wysokiej wydajności  Transakcje interaktywne  Transakcje czasu rzeczywistego (RT)  Workflows

Zdalne kopie zapasowe Za:  Większa dostępność i bezpieczeństwo danych (większa odporność na powodzie, pożary…). Przeciw:  Mniejsza wydajność (konieczność synchronizacji)

Zdalne kopie zapasowe C.D.  Dwu-fazowe dokonywanie transakcji  operacje są synchronizowane na węźle podstawowym i zapasowym  Przetwarzanie typu primary-secondary  Operacje są wykonywane tylko na węźle podstawowym  Do węzła zapasowego są przesyłane kopie danych oraz dzienniki operacji. W przypadku awarii węzła podstawowego, transakcje są wykonywane na węźle zapasowym

Kwestie związane ze zdalnymi kopiami zapasowymi  Wykrywanie awarii  odpowiednie protokoły, wiele łączy  Przejęcie kontroli przez węzeł zapasowy  węzeł zapasowy staje się podstawowym  Opóźnienia powodowane przez awarie  Węzeł zapasowy musi odtworzyć stan BD na podstawie dziennika  Opóźnianie dokonywania transakcji  aby zapewnić trwałość transakcji, trzeba poczekać z dokonaniem, aż dziennik dotrze do węzła zapasowego

Monitory przetwarzania transakcji  Motywacja: potrzeba wielodostępu do systemu bazy danych.  Przykład: rozproszony system rezerwacji lotów.

Architektury monitorów Process-per-clientSingle-process Many-server, single-router Many-server, many-router

Systemy wysokiej wydajności  Bazy danych w pamięci operacyjnej  dostęp do pamięci operacyjnej jest szybszy niż dostęp do dysku.  dzienniki są zapisywane do NVRAM.  optymalizacja struktur danych pod względem rozmiaru, nie szybkości.  Grupowe dokonywanie transakcji  system czeka na odpowiednią ilość transakcji przed dokonaniem.

Transakcje interaktywne  Długi czas trwania  czas reakcji człowieka jest relatywnie długi dla komputera.  Konieczność udostępnienia danych niedokonanej transakcji  użytkownikowi lub innym transakcjom.  Podzadania  transakcja może składać się z podzadań, które mogą być wycofywane (sama transakcja nie musi być przez to wycofana).  Naprawialność  niedopuszczalne jest wycofanie długiej, interaktywnej transakcji z powodu awarii sprzętu.  Wydajność  od dużej przepustowości ważniejszy jest czas odpowiedzi.

Transakcje czasu rzeczywistego  Poprawność wykonania transakcji nie zależy tylko od utrzymania spójności w bazie danych, ale także od jej czasowego ukończenia.  Istnieją dwa rodzaje ograniczeń czasowych wykonania transakcji:  Hard  Soft Często implementowane jako bazy danych w pamięci operacyjnej.

Workflows  Workflow – działanie składające się z wielu zadań wykonywanych przez różnego rodzaju jednostki (komputery, ludzie…).  Rozszerzenie transakcji na całe schematy działania.  schematy są bardziej rozbudowane, ale muszą spełniać podobne do transakcji warunki.  większa automatyzacja (ale potrzebny jest język do definiowania workflows).

Przykład Klient Urzędnik bankowy Przekaz pieniężny weryfikacja Wyższy urzędnik wniosek akceptacja odrzucenie

Pytania  Rozwiń akronim ACID i opisz poszczególne cechy  W jakich stanach może znajdować się transakcja i jakie są możliwe przejścia między stanami (diagram stanów)  Podaj przykład planu wykonania transakcji, który jest szeregowalny (serializable), ale nie jest naprawialny (recoverable)  Wymień dwa sposoby (modele) działania systemów ze zdalnymi kopiami zapasowymi

Koniec Koniec Dziękujemy za uwagę

Odp. Pytanie 1  Atomicity (niepodzielność) – transakcja jest wykonana w całości, albo w ogóle nie jest wykonana.  Consistency (spójność) – transakcja nie może wykonywać operacji niezgodnych z logiką systemu (musi zachować spójność danych).  Isolation (izolacja) – System zapewnia, że transakcje nie są świadome swego równoległego wykonywania (mają wrażenie, że są wykonywane szeregowo).  Durability (trwałość) – dokonanie transakcji ma trwały efekt (nawet w przypadku awarii sprzętu lub systemu).

Odp. Pytanie 2:  Aktywna – stan początkowy, transakcja podczas wykonywania jest w stanie aktywnym.  Częściowo dokonana – po wykonaniu wszystkich instrukcji, przed zakończeniem.  Niepowodzenie – gdy transakcja nie może dalej kontynuować swojego normalnego działania (błąd).  Wycofana – transakcja jest anulowana, baza danych znajduje się w takim stanie, w jakim była przed uruchomieniem transakcji  Dokonana – po zakończeniu transakcji sukcesem.  (Diagram jest w prezentacji)

Odp. Pytanie 3: plan serializable not-recoverable T1T1T1T1 T2T2T2T2 read(A)write(A)read(B)read(A) Plan jest szeregowalny i transakcja T 2 może zostać zaakceptowana przed T 1. W tej sytuacji jeśli T 1 będzie musiała być wycofana, wystąpi błąd – zatwierdzona transakcja T 2 będzie musiała być wycofana.

Odp. Pytanie 4:  Dwu-fazowe dokonywanie transakcji  operacje są synchronizowane na węźle podstawowym i zapasowym  Przetwarzanie typu primary-secondary  Operacje są wykonywane tylko na węźle podstawowym  Do węzła zapasowego są przesyłane kopie danych oraz dzienniki operacji. W przypadku awarii węzła podstawowego, transakcje są wykonywane na węźle zapasowym