数据库管理系统的并发控制实现

mysql mvcc多版本并发控制的原理

MySQL是最流行的开源关系型数据库管理系统之一。支持多版本并发控制（MVCC），以实现高并发性和事务一致性。本文将详细讲解MySQL MVCC的原理。

1. 事务和锁

由于MySQL是多用户环境下的数据库系统，因此并发事务的支持至关重要。 MySQL使用锁机制来确保在并发环境下事务的一致性。

当一个事务要访问某个数据库对象时，它需要在该对象上获取锁。这种锁的类型有两种：共享锁和排他锁。共享锁适用于读取操作，它可以被多个事务同时持有。而排他锁适用于写入操作，它只能被一个事务持有。

当事务需要修改某个对象时，它必须先获取排他锁。如果该对象被其他事务持有共享锁，则此时该事务需要等待所有共享锁释放后才能获取该对象的排他锁。这种等待时间可能会导致一定的性能问题，因此MySQL采用了MVCC机制来优化并发性能。

2. MVCC的原理

MVCC是指多版本并发控制，是MySQL提高并发性能和事务一致性的一种机制。

当一个事务查询某个数据库对象时，它会查找该对象的历史版本并返回给用户。这种历史版本的生成是通过在修改数据库对象时产生的。每当有一个事务修改某个数据库对象时，系统会将原有版本的对象复制一份，并在新版本上执行修改操作，这样就生成了一个新版本的对象。新版本的对象包含了上一个版本的数据以及新的修改操作。这样就形成了一条对象历史版本链。

当事务读取某个数据库对象时，系统会在历史版本链中查找满足读取条件的最新版本。如果该版本的对象被其他事务持有排他锁，则读取操作会失败。如果该版本的对象被其他事务持有共享锁，则读取操作仍然可以成功。这样就避免了读操作之间的等待时间，提高了数据库的并发性能。

当事务修改某个数据库对象时，系统会创建一个新的版本，并把该新版本设置为当前版本。这个过程涉及到一些复杂的技术细节，但基本的原理不会改变。

3. MVCC的局限性

２００８年第１１期　计算机与现代化　ＪＩＳＵＡＮＪＩ　ＹＵ　ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ　总第１５９期　

文章编号：１００６－２４７５（２００８）１１－００５８－０４　

嵌入式实时数据库并发控制机制研究　

孙国琦，原亮，尹文龙　

（军械工程学院，河北石家庄０５０００３）　

摘要：对目前嵌入式实时数据库并发控制的方法进行了仔细研究，分析比较了嵌入式实时数据库ｅＸ￣ｅｍ　ＤＢ与ＡＲＴｓ－　

ＥＤＢ并发控制的实现，指出了各自的应用领域，并对嵌入式实时数据库并发控制机制及其今后的发展做了探讨。　

关键词：嵌入式实时数据库；实时事务；并发控制；ｅＸｔｒｅｍ　ＤＢ；ＡＲＴｓ－ＥＤＢ　

中图分类号：ＴＰ３１１．１３２　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　Ｄａｔａｂａｓｅ　

ＳＵＮ　Ｇｕｏ—ｑｉ，ＹＵＡＮ　Ｌｉａｎｇ，ＹＩＮ　Ｗｅｎ—ｌｏｎｇ　

（Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｒｅｆｕｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｏｍｍｏｎｌｙ　ｕｓｅｄ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄａｔａｂａｓｅ　ｉｎ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ－ｃｏｍ－　

ｐａｒｉｎｇ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｅｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅＸｔｒｅｍ　ＤＢ　ａｎｄ　ＡＲＴｓ－ＥＤＢ．ｔｈｅ　ｍｏｓｔｌｙ－ｆｉｔｔｅｄ　ｆｉｅｌｄｓ　ｏｆ　ａｐｐｌｅａｆｉｏｎ　ｆｏｒ　ｅａｃｈ　ｄａｔａｂａｓｅ　ａｒｅ　

ｆｏｕｎｄ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｎ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ｔｈｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅｉｒ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｍａｄｅ　ａｓ　ｗｅｌ１．　

mvcc多版本并发控制的原理

多版本并发控制（MVCC）是一种数据库并发控制技术，用于在多用户同时访问数据库时确保事务的一致性和隔离性。MVCC技术在许多常见的数据库系统中都得到了广泛的应用，比如PostgreSQL、MySQL和Oracle等。本文将介绍MVCC技术的原理及其在数据库系统中的应用。

1. MVCC技术的原理

MVCC技术的核心原理是基于对数据的多个版本进行管理。它通过在数据库中维护数据的多个版本来实现并发控制，从而避免了传统的锁定机制所带来的性能问题。在MVCC中，每个事务可以看到一个数据的特定版本，而不需要等待其他事务的提交或者回滚。

MVCC技术的实现依赖于以下几个关键组件：

-版本号：每个数据行都有一个对应的版本号，用于标识该数据的版本。当一个事务对数据进行修改时，数据库会为其生成一个新的版本号。 -可见性控制：数据库系统使用版本号来判断一个事务是否可以看到某个数据的版本。当一个事务开始时，数据库会为该事务定义一个可见性范围，只有在该范围内生成的数据版本才可以被该事务看到。

在MVCC技术中，数据的修改不会直接覆盖原始数据，而是生成一个新的版本。这样做的好处是可以避免对原始数据的修改，从而减少了数据的冲突和锁定。当一个事务需要对数据行进行修改时，MVCC会为其生成一个新的数据版本，并更新事务的可见性范围，从而保证事务之间的隔离性。

2. MVCC技术在数据库系统中的应用

MVCC技术在数据库系统中的应用非常广泛，尤其是在需要高并发访问的场景下。下面我们将介绍MVCC技术在一些常见数据库系统中的应用。

(1) PostgreSQL

PostgreSQL是一个开源的关系型数据库系统，在其内部实现了MVCC技术。PostgreSQL使用了基于快照的多版本并发控制机制，它通过为每个事务分配唯一的事务ID来实现可见性的控制。当一个事务对数据进行修改时，PostgreSQL会为其生成一个新的数据版本，并将旧的版本标记为无效，从而保证了事务之间的隔离性。同时，PostgreSQL通过撤销日志和清理进程来清理过期的数据版本，以此来减少存储空间的占用。

２００６年第１１期　福　建　电脑　７５　实时数据库的安全并发控制　许贵平，李岚，朱红高　ｆ华中科技大学计算机科学与技术学院　湖北武汉４３００７４）　【摘　要】：为了解决实时数据库系统中事务的实时性和安全性之间的矛盾，文中首先分析安全实时数据库系统中实时　性与安全性需求之间的冲突．而后基于ＨＰ一２ＰＬ协议．结合安全因素给出了一种解决冲突的办法。在满足安全需求的基础上，　实现数据库的安全实时性能。　【关键词】：安全实时数据库；隐蔽通道；优先倒置；安全并发控制策略　１．引言　实时数据库系统［￣（ＲＴＤＢＳ）事务和数据都可以有定时特性　或显式的定时限制的数据库系统　系统的正确性不仅依赖于逻　辑结果．而且还依赖于逻辑结果产生的时间。为保证实时系统中　事务的正确性．必须满足时间限制．用截止时间来表示。在实时　数据库系统中．为了满足实时性．事务被分配给优先权。一般优　先权的分配直接与该事务的截止期限有关．事务的优先权与他　们的截止期限成正比．具有最近截止期的事务得到最高优先权．　下一截止期得到低一级优先权　实时数据库系统的另一个很重　要的因素是安全性　因为系统要保护那些被多个具有不同安全　级的用户所共享的敏感数据．所以把事务和数据分为不同的安　全级别。　２．安全性与实时性的分析　实时数据库系统与传统数据库在概念、原理、结构、算法等　方面都存在着很大的差别．最根本的区别在于数据与事务的定　时限制ｆ：Ｉ　要指出的是．”实时”并非简单地意味着快．对实时数据　库系统而言．”实时Ｉｆ于旨的是能施加和处理”显式”的定时限制．即　使用”识时协议”来处理有关数据和事务的截止时间或定期限　制。实时事务调度主要包含两个部分：事务优先权分配和并发控　制　实时数据库系统的实时性主要体现在事务的优先权上．当系　统进行调度时．为了保证事务的实时性．　首先调度具有较高优先权的事务　然而．　由于系统要保护那些被多个具有不同安　全级的用户所共享的敏感数据．所以事　务和数据被分为不同的安全级别　如图１　所示，访问结构采用ＢＬＰ模型口１。Ｂｅｌｌ—　ＬａＰａｄｕｌａ保密性模型（简称ＢＬＰ）模型是　第一个能够提供分级别数据机密性保障　的多级安全策略模型。１９７３年．Ｄａｖｉｄ　Ｂｅｌｌ和Ｌｅｎ　ＬａＰａｄｕｌａ提出了第一个正式　譬器　的安全模型ＢＬＰ模型给每一数据对象定义一安全级．此安全级　都由一分层的密级和在非分层的范围组成．表示它所包含信息　的敏感性。同时给每一用户定义一安全级．表示他能对什么样的　数据进行访问。这就强制事务可以向较高安全级写数据．而只能　从较低安全级读数据。但是在实际的事务调度中．也很可能发生　违背这种规则的情况　隐蔽通道是一种间接通讯方式．通过它具　有高安全级的进程可以把信息传递到一个低安全级的进程，当　两个不同安全级别的事务共享某信息资源时．信息被间接溢出　数据库管理系统的核心目的是提供对信息和数据的安全存　取的服务，即在向授权用户提供可靠的信息／数据服务的同时．　又要拒绝非授权的对数据的存取访问请求．保证数据库管理下　的数据的呵用性、完整性和一致性．进而保护数据库所有者和使　用者的合法权益　由于在满足安全性时既要满足实时性．又要满　足安全性．这两种需求同时满足必然会出现矛盾　因此可以考虑　折衷的办法．牺牲一定程度的安全性以保证实时性．又或者牺牲　一定程度的实时性以确保安全性　１９９８年ＳＯＮ和ＣＨＡＮＥＹ就　提出了安全实时数据库的部分安全性策略和部分实时性策略，　３．传统的并发控制协议…高优先级两段锁协￣（２ＰＬ－ＨＰ）　２ＰＬ—ＨＰ是在２ＰＬ（ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ　ｌｏｃｋｉｎｇ）Ｉ￣基础上考虑了事务　的优先级　即当一个事务为访问数据项而申请锁时．该锁已被更　高级的事务所持有．则申请锁的事务必须等待直到该锁被释放；　反之．如果锁已被较低级事务所持有．则较低级事务被中断。锁　交给申请锁事务。例：假设ＴＡ为锁申请事务．ＴＢ为锁持有事务。　根据２ＰＬ—ＨＰ协议　Ｉｆ　ｄｅａｄｌｉｎｅ（ｒＡ）＜ｄｅａｄｌｉｎｅ（ＴＢ）　Ｔｈｅｎ　Ａｂｏａ　ＴＢ；　Ｅｌｓｅ　Ｂｌｏｃｋ　ＴＡ；　２ＰＬ－ＨＰ协议没有考虑安全性。在安全实时数据库系统中，　我们既要满足事务的实时性．同时还要考虑事务的安全级别。　４．安全性与实时性的冲突分析　以下基于ＨＰ一２ＰＬ协议对安全性与实时性的冲突问题进行　分析。假设ＴＡ为锁请求事务。ＴＢ为锁持有事务，Ｐ　ｒｒＡ）和ＳＬ　（，ｒＡ１分别为ＴＡ的截止期和访问级别。表ｌ列出了ＴＡ锁请求事　务和ＴＢ锁持有事务的截止期和访问级别的组合可能：ｆ　ＰＨｉｇｈ　＞　Ｃａｓｅ　ｌ　Ｃａｓｅ　２　Ｃａｓｅ　３　Ｃａｓｅ　４　Ｃａｓｅ　５　Ｃａｓｅ　６　Ｐ（Ｔ　）　Ｐ　ＰｌＩＩｄ　Ｐ　ＰＲｌ　Ｐ　Ｐｍ　ＳＬ（Ｔ　）　ＳＬＨ　ＳＬ　ＳＬｈ　ＳＬ，。　ＳＬ　Ｓ　ｄ　Ｐ（Ｔ。）　Ｐ　Ｐ　Ｐ＿ｉ＾　Ｐ　ＰＨ　＾　Ｐ　ＳＬ（Ｔ。）　ＳＬ　Ｓ　ｌｄ　Ｓ　ＳＬｈ　Ｓ　。‘　ＳＬ　表１事务ＴＡ与ＴＢ之间的截止期和访问级别的组合情形　由表ｌ可见．存在有６种类型的冲突：Ｃａｓｅ　１中．锁请求事　务有低优先级和高访问级别．取消或阻塞锁请求事务ＴＡ可避　免隐蔽通道和优先级倒置问题。Ｃａｓｅ　２中．锁请求事务ＴＡ有高　优先级别和低访问级别．解决冲突的办法是中断ＴＢ．让ＴＢ释放　锁而ＴＡ获得锁，这样既确保了优先级又避免了隐蔽通道。Ｃａｓｅ　３和Ｃａｓｅ　４中．两事物有相同的访问级别．冲突的解决依照ＨＰ一　２ＰＬ协议．若事务ＴＡ有高优先级，中断，ｒＢ，让ＴＡ获得锁；若事　务ＴＢ有高优先级．阻塞ＴＡ．这样就可避免优先倒置问题。问题　出现在Ｃａｓｅ　５和Ｃａｓｅ　６．当锁请求者ＴＡ有低优先级和低访问　级时．如果阻塞ＴＡ，将会造成隐蔽通道：若中断，ｒＢ．锁请求事务　ＴＡ获得锁．则出现优先级倒置：而当锁请求事务ＴＡ有高优先级　和高访问级别时．如果ＴＢ被中断，ＴＡ获得锁．则会产生隐蔽通　道：若阻塞ＴＡ．又存在优先级倒置［４１。　５，安全实时数据库的并发控制…安全的２ＰＬ—ＨＰ　安全实时数据库系统的并发控制算法必须像使用事务截止　时间解决数据冲突一样来使用安全级别．而且在解决安全冲突　时也要考虑事务安全级别的不同　如果最高安全级别事务和另　一最低安全级别事务间存在隐蔽通道．那么．此种情况下隐蔽通　道造成的后果比２个邻近安全级别事务所造成的后果更大　为　了更形象说明安全违背的后果．针对实时数据库系统引入”隐蔽　通道属性”　隐蔽通道属性：在同一数据上产生冲突的２个事务　露一