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Vorlesung #12
Mehrbenutzersynchronisation
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„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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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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Ende