分布式事务的执行可能会涉及到多个站点上的数据操作，在两阶段提交协议中，当事务T<su..

2016年上半年上午试卷综合知识

第 41 题


知识点	并发控制写操作分布式事务恢复两阶段提交协议事务数据操作消息
关键词	故障恢复数据消息协调器协议故障
章/节	数据库系统

分布式事务的执行可能会涉及到多个站点上的数据操作，在两阶段提交协议中，当事务T_i的所有读写操作执行结束后，事务Ti的发起者协调器Ci向所有参与T_i的执行站点发送<prepare T_i>的消息，当收到所有执行站点返回的<ready T_i>消息后，Ci再向所有执行站点发送<commit T_i>消息。若参与事务T_i执行的某个站点故障恢复后日志中有<ready T_i>记录，而没有<commit T_i>记录，则（41）。

A. 事务T_i已完成提交，该站点无需做任何操作

B. 事务T_i已完成提交，该站点应做REDO操作

C. 事务T_i未完成提交，该站点应做UNDO操作

D. 应向协调器询问以决定T_i的最终结果

相关试题数据库的控制功能

第41题

2009年上半年

若要使某用户只能查询表EMP中的部分记录，应采取的策略是（41)。

第40题

2013年上半年

在数据库系统中，为了保证数据库的（40),通常由DBA使用DBMS提供的授权功能为不同用户授权。

第45题

2022年上半年

在数据库的安全机制中，通过提供（）供第三方开发人员调用进行数据更新，从而保证数据库的关系模式不被第三方所获取。

知识点讲解

· 并发控制

· 写操作

· 分布式事务

· 恢复

· 两阶段提交协议

· 事务

· 数据操作

· 消息

并发控制

在多用户共享系统中，许多事务可能同时对同一数据进行操作，称为并发操作，此时数据库管理系统的并发控制子系统负责协调并发事务的执行，保证数据库的完整性不受破坏，同时避免用户得到不正确的数据。

并发操作的问题

数据库的并发操作带来的主要问题有：丢失更新问题、不一致分析问题（读过时的数据）、依赖于未提交更新的问题（读脏数据）。这3个问题需要DBMS的并发控制子系统来解决。

（1）丢失更新（丢失修改）：两个事务T₁和T₂读入同一数据并修改，T₂提交的结果破坏了T₁提交的结果，T₁的修改被丢失。

（2）读过时的数据（不可重复读）：事务T₁读取某一数据，事务T₂读取并修改了同一数据，T₁为了对读取值进行校对再读此数据，得到了不同的结果。例如，T₁读取B=100，T₂读取B并把B改为200，T₁再读B得200，与第一次读取值不一致。

（3）读脏数据：事务T₁修改某一数据，事务T₂读取同一数据，而T₁由于某种原因被撤销，则T₂读到的数据就为“脏”数据，即不正确的数据。例如，T₁把C由100改为200，T₂读到C为200，而事务T₁由于被撤销，其修改宣布无效，C恢复为原值100，而T₂却读到了C为200，与数据库内容不一致。

例如，假设某3个事务T₁、T₂和T₃并发执行的过程如下表所示。

事务并发执行的过程

在上表中，事务T₁、T₂分别对数据D₁、D₂和D₃进行读写操作，在t₄时刻，事务T₁将D₁、D₂和D₃相加存入X₁，X₁等于450。在t₈时刻，事务T₂将D₃减去D₂存入D₂，D₂等于200。在t₁₃时刻，事务T₁将D₁、D₂和D₃相加存入X₁，X₁等于550，验算结果不对。这种情况就属于不可重复读。在t₁₄时刻事务T₃将D₂加50存入D₂，D₂等于150。这样，就丢失了事务T₂对D₂的修改，这种情况就属于丢失更新。

封锁的类型

处理并发控制的主要方法是采用封锁技术，主要有两种类型的封锁，分别是X封锁和S封锁。

（1）排他型封锁（X封锁）：如果事务T对数据A（可以是数据项、记录、数据集以至整个数据库）实现了X封锁，那么只允许事务T读取和修改数据A，其他事务要等事务T解除X封锁以后，才能对数据A实现任何类型的封锁。可见X封锁只允许一个事务独锁某个数据，具有排他性。

（2）共享型封锁（S封锁）：X封锁只允许一个事务独锁和使用数据，要求太严。需要适当从宽，如可以允许并发读，但不允许修改，这就产生了S封锁概念。S封锁的含义是：如果事务T对数据A实现了S封锁，那么允许事务T读取数据A，但不能修改数据A，在所有S封锁解除之前决不允许任何事务对数据A实现X封锁。

封锁协议

在多个事务并发执行的系统中，主要采取封锁协议来进行处理。

（1）一级封锁协议：事务T在修改数据R之前必须先对其加X锁，直到事务结束才释放。一级封锁协议可防止丢失更新，并保证事务T是可恢复的，但不能保证可重复读和不读脏数据。

（2）二级封锁协议：一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前先对其加S锁，读完后即可释放S锁。二级封锁协议可防止丢失更新，还可防止读脏数据，但不能保证可重复读。

（3）三级封锁协议：一级封锁协议加上事务T在读取数据R之前先对其加S锁，直到事务结束才释放。三级封锁协议可防止丢失更新、防止读脏数据与数据重复读。

（4）两段锁协议：所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁。其中，扩展阶段是在对任何数据进行读、写操作之前，首先要申请并获得对该数据的封锁；收缩阶段是在释放一个封锁之后，事务不能再申请和获得任何其他封锁。若并发执行的所有事务均遵守两段封锁协议，则对这些事务的任何并发调度策略都是可串行化的（可以避免丢失更新、不可重复读和读脏数据问题）。遵守两段封锁协议的事务可能发生死锁。

所谓封锁的粒度即是被封锁数据目标的大小，在关系数据库中封锁粒度有属性值、属性值集、元组、关系、某索引项（或整个索引）、整个关系数据库、物理页（块）等几种。

封锁粒度小则并发性高，但开销大；封锁粒度大则并发性低，但开销小。综合平衡照顾不同需求以合理选取适当的封锁粒度是很重要的。

死锁

采用封锁的方法固然可以有效防止数据的不一致性，但封锁本身也会产生一些麻烦，最主要就是死锁问题。死锁是指多个用户申请不同封锁，由于申请者均拥有一部分封锁权而又需等待另外用户拥有的部分封锁而引起的永无休止的等待。死锁是可以避免的，目前采用的办法有如下几种。

（1）预防法：采用一定的操作方式以避免死锁的出现，顺序申请法、一次申请法等即是此类方法。顺序申请法是指对封锁对象按序编号，用户申请封锁时必须按编号顺序（从小到大或反之）申请，这样能避免死锁发生；一次申请法是指用户在一个完整操作过程中必须一次性申请它所需要的所有封锁，并在操作结束后一次性归还所有封锁，这样能避免死锁的发生。

（2）死锁的解除法：允许产生死锁，并在死锁产生后通过解锁程序以解除死锁。这种方法中需要有两个程序，一个是死锁检测程序，用它测定死锁是否发生；另一个是解锁程序，一旦检测到系统已产生死锁，则启动解锁程序以解除死锁。

写操作

因为需要保证缓存在Cache中的数据与内存中的内容一致，相对读操作而言，Cache的写操作比较复杂，常用的有以下几种方法。

（1）写直达（write through）。当要写Cache时，数据同时写回内存，有时也称为写通。

（2）写回（write back）。CPU修改Cache的某一行后，相应的数据并不立即写入内存单元，而是当该行从Cache中被淘汰时，才把数据写回到内存中。

（3）标记法。对Cache中的每一个数据设置一个有效位。当数据进入Cache后，有效位置1；而当CPU要对该数据进行修改时，数据只需写入内存并同时将该有效位清0。当要从Cache中读取数据时需要测试其有效位：若为1则直接从Cache中取数，否则从内存中取数。

分布式事务

一个事务是访问数据库的一个逻辑工作单位，它是一个操作序列，执行这个操作序列，使数据库从一种一致状态转换到另一种一致状态，以实现特定的业务功能。

分布式事务是传统事务的扩充，在分布式数据库系统中，任何一个应用的请求最终都将转化成对数据库的存取操作序列，所以分布式事务从外部特征来看，继承了传统事务的定义。但是，在分布式数据库系统中，数据是分布的，一个事务的执行可能涉及多个站点上的数据，这使得分布式事务的执行方式与传统事务的执行方式不同，传统集中式事务只在一台计算机上执行，而分布式事务将在多个站点上的多台计算机上执行，即分布式事务的执行也是分布的。

在分布式数据库系统中，用分布式事务表明一个要求访问多个站点上数据库中数据的事务，但不关心存放数据的具体地点。分布式数据库管理系统的事务优化器实现把一个分布式事务转变为若干个与相应站点有关的操作序列，这些操作序列也称为“子事务”。所以，在分布式数据库系统中，可以把一个分布式事务看成是由若干个不同站点上的子事务组成。

恢复

数据恢复有3个步骤。

（1）反向扫描文件日志，查找该事务的更新操作。

（2）对事务的更新操作执行逆操作。

（3）继续反向扫描日志文件，查找该事务的其他更新操作，并做同样的处理，直到事务的开始标志。

两阶段提交协议

两阶段提交协议（Two Phase Commitment Protocol，2PC）既简单又精巧，它把本地原子性提交行为的效果扩展到分布式事务，保证了分布式事务提交的原子性，并在不损坏日志的情况下，实现快速故障恢复，提高分布式数据库系统的可靠性。

在两阶段提交协议中，把分布式事务的某一个代理指定为协调者（Coordinator），所有其他代理称为参与者（Participant）。这里的代理是指完成各个子事务的进程。只有协调者才拥有提交或撤销事务的决定权，而其他参与者各自负责在其本地数据库中执行写操作，并向协调者提出撤销或提交事务的意向。一般一个站点唯一地对应一个子事务，如果某一参与者与协调者在同一站点，虽然它们不需要使用网络来通信，但仍逻辑地认为它与协调者不在同一站点。下图描述了协调者和参与者的关系。

协调者和参与者的关系图

2PC保证分布式事务提交的原子性，这是通过在分布式事务的结果生效以前，所有参与执行分布式事务的站点都同意提交而做到这一点的。这种同步的必要性有很多理由，如果某个事务正在读一项由另一个还未提交的事务更新的数据项的值时，相应的参与者就不会同意马上提交该事务。另一种参与者不同意提交的可能的原因是发生了死锁，这要求某一个参与者撤销事务。注意，参与者不需要任何其他进程来通知就可以撤销一个事务，这种能力相当重要，我们称之为单方面撤销。

2PC把事务的提交过程分为两个阶段：第一阶段是表决阶段，目的是形成一个共同的决定。开始时，协调者在它的日志中写入一条开始提交的记录，再给所有参与者发送“准备提交”消息，并进入等待状态。当参与者收到“准备提交”消息后，它检查是否能提交本地事务。如果能提交，参与者在日志中写入一条就绪记录，并给协调者发送“建议提交”消息，然后进入就绪状态：否则，参与者写入撤销记录，并给协调者发送“建议撤销”消息。如果某个站点做出“建议撤销”提议，由于撤销决定具有否决权（即单方面撤销），发出“建议撤销”的站点就可以直接忽略这个事务。协调者收到所有参与者的回答后，它就做出是否提交事务的决定。只要有一个参与者建议撤销，协调者就必须从整体上撤销整个分布式事务，因此它写入一条撤销记录，并给所有参与者发送“全局撤销”消息，然后进入撤销状态；否则，它写入提交记录，给所有的参与者发送“全局提交”消息，然后进入提交状态。

第二阶段是执行阶段，目的是实现这个协调者的决定。根据协调者的指令，参与者或者提交事务，或者撤销事务，并给协调者发送确认消息。此时，协调者在日志中写入一条事务结束记录并终止事务。上图描述了两阶段提交协议的参与者和协调者的交互。

请注意协调者做出事务的全局终止决定的方式，该决定受两条规则的支配，这两条规则称为全局提交规则：

（1）只要有一个参与者撤销事务，协调者就必须做出全局撤销决定。

（2）只有所有参与者都同意提交事务，协调者才能做出全局提交决定。

从下图中可以看出以下关于两阶段提交协议的一些重要之处：

两阶段提交协议活动图

（1）两阶段提交协议允许参与者可以单方面撤销事务。

（2）一旦参与者确定了提交或撤销提议，就不能再更改它的提议。

（3）当参与者处于就绪状态时，根据协调者发出的消息的种类参与者可以转换为提交状态或撤销状态。

（4）协调者依据全局提交规则做出全局终止决定。

（5）注意协调者和参与者可能进入某些相互等待对方发送消息的状态。为了确保它们能够从这些状态中退出并终止，要使用定时器。每个代理进程进入一个状态时都要设置超时器。如果所期待的消息在定时器超时之前没有到来，定时器向代理进程报警，进程根据超时协议执行相应动作。

事务

概述

事务（Transaction）是一系列的数据库操作，是数据库应用程序的基本逻辑单位，即应用程序对数据库的操作都应该以事务的方式进行。

事务是一个操作序列，这些操作“要么都做，要么都不做”，是数据库环境中不可分割的逻辑工作单位。事务和程序是两个不同的概念，一般一个程序可包含多个事务。

事务通常由数据库操纵语言或其他高级语言（如SQL、CoBOL、C、C++、Java等）书写的用户程序来实现。一个事务由应用程序的一组操作序列组成，它以BEGIN TRANSACTION语句开始，以END TRANSACTION结束语句。

事务定义的语句如下：

（1）BEGIN TRANSACTION：事务开始。

（2）END TRANSACTION：事务结束。

（3）COMMIT：事务提交。该操作表示事务成功地结束，它将通知事务管理器该事务的所有更新操作现在可以被提交或永久地保留。

（4）ROLLBACK：事务回滚。该操作表示事务非成功地结束，它将通知事务管理器出故障了，数据库可能处于不一致状态，该事务的所有更新操作必须回滚或撤销。

典型的例子是银行转账业务。对“从账户A转入账户B金额x元”业务，站在顾客角度来看，转账是一次单独操作；而站在数据库系统的角度它至少是由两个操作组成的，第一步从账户A减去x元，第二步给账户B加上x元。下面是银行转账事务的伪代码：

SQL中事务的开始与结束

SQL标准规定当一条SQL语句被执行，就隐式地开始了一个事务，SQL中的Commit work和Rollback work语句之一会结束一个事务。

（1）Commit work：提交当前事务。这意味着将该事务所做的更新在数据库中永久保存。一旦事务被提交后，一个新的事务自动开始。

（2）Rollback work：回滚当前事务。这意味着将撤销该事务对数据库的更新。这样，数据库恢复到该事务执行第一条语句之前的状态。

需要注意的是，若事务已执行了Commit work，就不能用Rollback work来撤销。数据库系统能保证在发生诸如某条SQL语句错误、断电、系统崩溃的情况下，若事务还没有执行Commit work，则所造成的影响将被回滚。对断电、系统崩溃的情况，回滚是在系统重新启动时进行。

数据操作

（1）查询。

在众多的SQL命令中，SELECT语句是使用最频繁的。SELECT语句主要是用来对数据库进行查询并返回符合用户查询标准的结果数据，一般的格式如下：

SELECT语句中位于SELECT关键字之后的列名用来决定哪些列将作为查询结果返回。用户可以按照自己的需要选择任意列，还可以使用通配符“*”来设定返回表格中的所有列。SELECT语句中位于FROM关键字之后的表格名称用来决定将要进行查询操作的目标表格。SELECT语句中的WHERE子句用来规定哪些数据值或哪些行将被作为查询结果返回或显示。如果有GROUP子句则将结果按<列名1>的值进行分组，该属性值相等的元组作为一个组（通常会在每组中应用集函数），当GROUP子句带HAVING短语则只输出满足指定条件的组。如果有ORDER子句，则结果表还要按<列名2>的值升序或降序排列。

①单表查询。

单表查询是只涉及一个表的查询。

.选择表中的若干列

例1：查询Student表中全体学生的姓名和年龄。

.选择表中的若干元组

例2：查询选修了课程的学生的学号。

此时的查询结果有重复值，因为03131005和01132016两位学生都选了多门课，具有多条选课记录，所以若想取消重复的行，可以指定DISTINCT短语（没指定DISTINCT短语时，默认值为ALL）：

在WHERE条件从句中可以使用以下一些运算符来设定查询标准：比较（=，>，<，>=，<=，!=，<>，！>，！<；NOT+上述比较运算符=、确定范围（BETWEEN AND，NOT BETWEEN AND）、确定集合（IN，NOT IN）、字符匹配（LIKE，NOT LIKE）、空值（IS NULL，IS NOT NULL）、多重条件（AND，OR）。谓词IN可以用来查找属性属于指定集合的元组。

LIKE运算符在WHERE条件从句中也非常重要，它的功能非常强大，通过使用LIKE运算符可以设定只选择与用户规定格式相同的记录。其一般的语法格式是：

其含义是查找指定的属性列值与<匹配串>相匹配的元组。匹配串可以是一个完整的字符串，也可以含有通配符“%”（代表任何长度的字符串）和“_”（代表任意单个字符）。

例3：查询所有姓张的学生的姓名和性别。

此时满足条件的可以是三个字的名字或两个字的名字。若想限定在两个字的名字则使用‘张__’，限定在三个字的名字则使用‘张____’（注意：一个汉字要占两个字符的位置）。若要查询所有不姓张的学生的姓名和性别，则可以使用NOT LIKE谓词。此外，“%”和“_”可以同时使用，例如“_A%B”。若用户要查询的字符串本身含有“%”或“_”，则可以使用ESCAPE ‘<换码字符>’对通配符进行转义。

.对查询结果进行排序

若想对查询结果进行排序，则可以使用ORDER BY子句按照一个或多个属性列的升序（ASC）或降序（DESC）来对查询结果进行排序。注意，空值可以当作无穷大，在升序排列时最后显示，在降序排列时最先显示。

例4：查询选修了6号课程的学生的学号和成绩，按分数高低排列结果。

.使用集函数

SQL提供的集函数有：

其中，DISTINCT短语表示取消查询结果中的重复值，ALL （ALL为默认值）表示不取消重复值。

例5：查询6号课程的平均成绩。

.对查询结果分组

GROUP BY子句表示将查询结果按某一列或多列的值进行分组，值相等的为一组。

例6：查询选修了4门以上课程的学生的学号。

本例中先用GROUP BY字句将元组按照Sno分组，相同学号的记录为一组（即一个学生的所有选课记录为一组），再用集函数COUNT对每组计数（即计算每个学生选课的门数）。HAVING短语指定选择组的条件，只有选课门数大于3的组才符合要求。

注意，WHERE子句与HAVING短语的区别在于作用对象不同，WHERE子句作用于基本表或视图，从中选择符合条件的元组，而HAVING短语作用于组，从中选择符合条件的组。

②连接查询。

前面所讲的查询都是针对一个表进行的，若一个查询同时涉及两个或两个以上的表，则称为连接查询。

.等值与非等值连接查询

连接查询中用来连接两个表的条件成为连接条件或连接谓词，一般形式为：

比较运算符主要有：=、>、<、>=、<=、！=。

此外，还可以使用如下的形式：

连接运算符为“=”时，称为等值连接，其他情况称为非等值连接。连接谓词中的列名称为连接字段，连接条件中的连接字段类型必须是可比的（不必是相同的）。

例7：查询每个学生的基本信息及其选课的情况。

查询的结果为：

可以看出，查询结果中有两列学号列，此时使用自然连接则可以将重复的属性列去掉。

由于Sname, Ssex, Sage, Sdept, Cno和Grade属性列在Student表和SC表中是唯一的，所以引用时不用加上表名前缀，而Sno在两个表中都存在，所以需要加上表名前缀。

.自身连接

连接操作不仅是在两个表之间进行，也可以是一个表与自身进行连接。

例8：查询每门课程的间接先修课。

为Course表取两个表名ONE和TWO。

结果为：

.外连接

先看一个例子。

例9：查询每个学生的基本信息及其选课情况，对没有选课的同学只输出其基本信息。

此时，为了实现对没有选课的同学只输出其基本信息，可以使用外连接，即在连接谓词的某一边加上“*”，符号“*”所在的表（本例中是SC表）就好像增加了一个“万能”的行（全部由空值组成），它可以与另一个表（本例中是Student表）中所有不满足连接条件的元组进行连接。

.复合条件连接

复合条件连接就是在WHERE子句里有多个连接条件。

例10：查询每个学生学号、姓名、系名、选修的课程的名字、学分和成绩。

③集合查询。

由于SELECT语句的查询结果是元组的集合，因此可以对多个SELECT语句的查询结果进行集合操作，包括并操作（UNION）、交操作（INTERSECT）和差操作（MINUS）。但标准SQL中没有直接提供集合交操作和集合差操作，这时可以用其他方法来实现。

例11：查询选修了课程1或课程2的学生学号。

（2）数据更新。

SQL语句中的数据更新包括插入数据、修改数据和删除数据这三条语句。

①插入数据。

.插入单个元组

插入单个元组时，INSERT语句的格式为：

实现将一个新的元组插入表名所指定的表中，新记录中属性列1的值为常量1，属性2的值为常量2,依此类推。在新记录中，INTO子句中没有出现的属性列取空值，但表的定义中指明NOT NULL的属性列不能取空值。若INTO子句中没有指定任何列名，则新记录在每个属性上都必须有值。

例1：插入一条选课记录（'02111008'，'6'）。

.插入子查询结果

子查询不仅可以嵌套在SELECT语句中，还可以嵌套在INSERT语句中，将查询出来的批量数据插入到表中。

插入子查询结果时，INSERT语句的格式为：

例2：对每一个系，求学生的平均年龄，并把结果存入数据库。

对于这道题，首先要在数据库中建立一个有两个属性列的新表，其中一列存放系名，另一列存放相应系的学生的平均年龄。

然后对数据库的Student表按系分组求平均年龄，再把系名和平均年龄存入新表中。

②修改数据。

修改操作语句的一般格式为：

语句的功能是修改指定的表中满足WHERE子句条件的元组，SET子句给出<表达式>的值用于取代相应属性列原来的值，若省略了WHERE子句，则修改表中所有元组。

例3：将所有学生的年龄加一岁。

本例修改了表中多个元组的值。

例4：将计算机系的学生所有成绩置零。

本例中带有子查询。

③删除数据。

删除语句的一般格式为：

删除语句的功能是从指定的表中删除满足WHERE子句条件的所有元组，若省略WHERE子句，则删除表中的所有元组（但表的定义还在数据字典中），删除语句只删除表的数据，不删除表的定义。

例5：删除所有计算机系学生的选课记录。

本例是带子查询的删除语句。

④触发控制。

触发器是一种特殊的存储过程，它通过事件触发而执行，可通过存储过程名来直接调用存储过程。触发器的主要特点是：①数据库程序员声明的事件（可以是插入、删除或修改）发生的时候，触发器被激活；②触发器被事件激活时，先测试触发条件，条件成立时，DBMS执行与该触发器相连的动作（该动作可以阻止事件发生，也可以撤销事件），条件不成立时，响应该事件的触发器什么都不做。

数据库触发器有以下的作用：

.可以基于数据库的值使用户具有操作数据库的某种权利。可以基于时间限制用户的操作，例如每学期开课以后不再允许学生选课。可以基于数据库中的数据限制用户的操作，例如某门课到达了选课人数上限后则不再允许学生选该门课程。

.审计用户操作数据库的语句，把用户对数据库的更新写入审计表。

.实现非标准的数据完整性检查和约束。触发器可产生比规则更为复杂的限制。与规则不同，触发器可以引用列或数据库对象。例如，触发器可回退任何企图吃进超过自己保证金的期货。提供可变的默认值。

.实现复杂的非标准的数据库相关完整性规则。触发器可以对数据库中相关的表进行连环更新。例如，在修改或删除时，进行级联修改或删除其他表中的与之匹配的行。触发器还能够拒绝或回退那些破坏相关完整性的变化，取消试图进行数据更新的事务。

.自动计算数据值，如果数据的值达到了一定的要求，则进行特定的处理。例如当公司的账号上的资金低于5万元则立即给财务人员发送警告数据。

消息

消息是对象间通信的手段、一个对象通过向另一个对象发送消息来请求其服务。一个消息通常包括接收对象名、调用的操作名和适当的参数（如有必要）。消息只告诉接收对象需要完成什么操作，并不能指示接收者怎样完成操作。消息完全由接收者解释，接收者独立决定采用什么方法来完成所需的操作。

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