WS 2013/14 Datenbanksysteme Do 17:00 – 18:30 R 1.207 Vorlesung #12 Mehrbenutzersynchronisation

WS 2013/14Datenbanksysteme

Do 17:00 – 18:30R 1.207

Vorlesung #12

Mehrbenutzersynchronisation


Do 17:00 – 18:30R 1.207

© Bojan Milijaš, 12.12.2013

„Fahrplan“ Motivation Fehler bei unkontrolliertem Mehrbenutzerbetrieb

Lost Update Dirty Read (Non-Repeatable Read) Phantom

Serialisierbarkeit Transaktionshistorien, Datenbank-Scheduler Sperrbasierte Synchronisation Recovery-Fähigkeit und Verklemmungen (Deadlocks)

werden nächstes Semester behandelt

2Vorlesung #12 - Mehrbenutzersynchronisation


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Motivation - Mehrbenutzerbetrieb Mehrbenutzerbetrieb (Multiprogramming) –

gleichzeitige (nebenläufige, parallele) Ausführung mehrerer Programme

führt zu besseren Auslastung eines Computersystems als Einzelbenutzersystem

Prinzip: während auf eine interaktive (aus „Computer“-Sicht sehr langsame) Benutzereingabe oder Freigabe einer Resource (z.B. Drucker) gewartet wird, kann der Computer rechenintensive Vorgänge anderer Programme verarbeiten

Oft geht es nur in Mehrbenutzerbetrieb Beispiel: (Online-)Bestellungen bei Versand-Handel



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Motivation – Mehrbenutzerbetrieb (2) Mehrbenutzerbetrieb hat sich bereits in der Praxis überall

etabliert, nicht nur auf großen Server sondern sogar auf PCs, die als „persönliche“ Arbeitsplatzstationen ursprünglich für den Einzelbenutzerbetrieb konzipiert waren.

Beispiele: Windows2000, WindowsXP, Linux statt MS DOS und Windows3.1

Ihr Rechner (PC oder Laptop) verarbeitet bereits mehrere Tasks gleichzeitig und kann als Server im Mehrbenutzerbetrieb eingesetzt werden, sobald Sie im Netz erreichbar sind. Einzelbenutzerbetrieb ist auf der Betriebsystemebene so gut wie verschwunden!

Die meisten Programme innerhalb eines Mehrbenutzersystems arbeiten aber immer noch im Einzelbenutzerbetrieb (exklusiv) mit sehr eingeschränkten Kooperationsmöglichkeiten auf der Datei-Ebene. Wie sieht es aus bei den Datenbanken?



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© Bojan Milijaš, 12.12.2013 5Vorlesung #12 - Mehrbenutzersynchronisation


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FehlerklassifizierungEs gibt drei Fehlerarten:1. „Lost Update“ – verlorengegangene Änderungen

Benutzer 1 ändert etwas in File15.xls und speichert ab. Benutzer 2 ändert etwas in File15.xls und speichert ab. Die Version des Benutzer 2 ist zuletzt gespeichert, die

Arbeit des Benutzers 1 geht verloren.2. „Dirty Read“ – Lesen von nicht freigegebenen

Änderungen Das Konto wird fälschlicherweise vorübergehend mit

10000 € belastet. Zinsen werden mit –10000 € berechnet und abgezogen.

3. „Phantom“ - ein neuer Wert tritt während der Abarbeitung einer langen Transaktion auf



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Fehlerklassifizierung (2) Es folgen die Beispiele der 3 Fehlerarten

anhand der Transaktionsabarbeitung ...

I. Lost UpdateII. Dirty ReadIII. Phantom



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Mehrbenutzer- vs. Ein-Benutzerbetrieb

Mehrbenutzerbetrieb Vorteile: Guter Durchsatz,

Gute Systemauslastung Nachteile: Lost update, Dirty

Read, Phantom

Einbenutzerbetrieb Vorteile: keine

Mehrbenutzer-Fehler Nachteile: schlechter

Durchsatz, schlechte Systemauslastung

Man soll Vorteile von beiden Betriebsarten kombinieren Serialisierbarkeit



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Serialisierbarkeit Um das „I“ (Isolation) aus ACID zu erreichen und

dennoch einen guten Durchsatz und gute Auslastung beizubehalten, verarbeitet man die Transaktionen kontrolliert parallel - „verzahnt“

Man lässt die Transaktionen nebenläufig ablaufen, sorgt aber mit einer Kontrollkomponente (Mehrbenutzersynchronisation) dafür, dass beobachtbare Wirkung der nebenläufigen Ausführung einer möglichen seriellen Abarbeitung (wie in Einbenutzerbetrieb) entspricht

Daher „serialisierbar“ – „möglichst seriell“



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Theorie der Serialisierbarkeit Vorabdefinitionen bzw. Erläuterungen Transaktionen – nur Basisoperationen BOT, read(),

write(), commit, abort Historie (Schedule) – zeitliche Anordnung der

einzelnen verzahnt ausgeführten Elementaroperationen einer Menge von parallel laufenden Transaktionen

Es muss die Reihenfolge (Ordnung) der Teiloperationen gegeben werden

... weiter Kemper-Folien 10 bis 18 (Kapitel 11) ...



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Theorie der Serialisierbarkeit (2) Konfliktoperationen sind solche Operationen, die bei einer

unkontrollierten parallelen Ausführung zu Inkonsistenzen führen können

Äquivalente Historien sind Historien bei denen Konfliktoperationen der nicht abgebrochenen Transaktionen in derselben Reihenfolge ausgeführt werden

Eine Historie H ist serialisierbar, wenn sie äquivalent zu einer seriellen Historie HS

Serialisierbarkeitsgraph SG(H) – gerichteter Graph bei dem Kanten die Konfliktoperationen und zugehörige Abhängigkeiten repräsentieren

Serialisierbarkeitstheorem – H ist serialisierbar wenn SG(H) azyklisch ist



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Eigenschaften von Historien bzgl. Recovery Recovery-Komponente stellt aber zusätzliche

Anforderungen an Mehrbenutzersynchronisation:1. Jede Transaktion soll zu jedem Zeitpunkt lokales Commit

durchführen können, ohne dass andere Transaktionen etwas davon merken (rücksetzbare Historien)

2. Lokales Zurücksetzen einer Transaktion soll kein kaskadierendes Zurücksetzen – d.h. Schneeball-Effekt auslösen – Performance-Anforderung. Veränderte Daten einer Transaktion dürfen nicht gelesen werden (Historien ohne kaskadierendes Rücksetzen)

3. Veränderte Daten einer Transaktion dürfen nicht überschrieben werden (strikte Historien)

... weiter Kemper 11.19 – 11.23 ..



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Datenbank-Scheduler DB-Scheduler ist eine DBMS-Komponente (siehe

Architektur - Kemper 11.24) Aufgabe – lasse nur „vernünftige“ Historien zu (was

vernünftig ist, ist in der DBMS Konfiguration einstellbar). Z.B. : serialisierbar und ohne kaskadierendes Rücksetzen

Realisierung des Schedulers Sperrbasiert (lock based) – in der Praxis am häufigsten Zeitstempelbasiert (time stamp based)

Außer sperr- und zeitstempelbasierten Synchronisation, die als „pessimistisch“ eingestuft werden, gibt es noch optimistische Verfahren



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Datenbank-Scheduler (2) Der Scheduler bekommt den Ausführungsplan von

Transaktionsmanager und ergänzt ihn um Sperr-oder Zeitstempel-Operationen.

Beispiel mit Sperroperationen lock()

... weiter Kemper 11.25 – 11.30

Schritt T1

1. BOT2. lockX(A)

3. read(A)

4. write(A)

5. ...



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Sperrbasierte Synchronisation Hier Zusammenfassung (Details Kemper 11.25 –

11.30) 2 Sperrmodi

S – „Shared“, Lesen, Read X – Exclusive, Schreiben, Write

Operationen: lockS(), unlockS(), lockX(), unlockX() 2 Phasen Sperrprotokoll – 2 phase locking (2PL)

Wachstumsphase (Anforderung der Sperren) Schrumpfungsphase (Freigabe der Sperren)

2PL erlaubt kaskadierendes Rollback strenges 2PL - keine Schrumpfungsphase, alle Sperren werden auf einmal freigegeben



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Fazit Notwendigkeit der Parallelisierung Notwendigkeit der Synchronisation bei der

Fehlerarten (lost update, dirty read, phantom) Historien Serialisierbarkeit, Theorem, Graph Historien & Recovery (ST, ACA, RC) Datenbank-Scheduler Sperrbasierte Synchronisation (2PL) Deadlocks (Verklemmungen) – nächstes

Semester



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Vorlesung #12

Ende

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