数据库系统原理

王誉睿 2018年10月25日 9次浏览

关于数据库系统原理的相关知识。

关于事务处理、并发一致性问题、封锁、隔离级别、多版本并发控制、关系数据库设计理论、ER图等等。
根据Github大神总结而来。

一、事务

概念

事务指的是满足 ACID 特性的一组操作,可以通过 Commit 提交一个事务,也可以使用 Rollback 进行回滚。

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ACID

1. 原子性(Atomicity)

事务被视为不可分割的最小单元,事务的所有操作要么全部提交成功,要么全部失败回滚。

回滚可以用回滚日志来实现,回滚日志记录着事务所执行的修改操作,在回滚时反向执行这些修改操作即可。

2. 一致性(Consistency)

数据库在事务执行前后都保持一致性状态。在一致性状态下,所有事务对一个数据的读取结果都是相同的。

3. 隔离性(Isolation)

一个事务所做的修改在最终提交以前,对其它事务是不可见的。

4. 持久性(Durability)

一旦事务提交,则其所做的修改将会永远保存到数据库中。即使系统发生崩溃,事务执行的结果也不能丢失。

使用重做日志来保证持久性。


事务的 ACID 特性概念简单,但不是很好理解,主要是因为这几个特性不是一种平级关系:

  • 只有满足一致性,事务的执行结果才是正确的。
  • 在无并发的情况下,事务串行执行,隔离性一定能够满足。此时只要能满足原子性,就一定能满足一致性。
  • 在并发的情况下,多个事务并行执行,事务不仅要满足原子性,还需要满足隔离性,才能满足一致性。
  • 事务满足持久化是为了能应对数据库崩溃的情况。

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AUTOCOMMIT

MySQL 默认采用自动提交模式。也就是说,如果不显式使用START TRANSACTION语句来开始一个事务,那么每个查询都会被当做一个事务自动提交。

二、并发一致性问题

在并发环境下,事务的隔离性很难保证,因此会出现很多并发一致性问题。

丢失修改

T1 和 T2 两个事务都对一个数据进行修改,T1 先修改,T2 随后修改,T2 的修改覆盖了 T1 的修改。

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读脏数据

T1 修改一个数据,T2 随后读取这个数据。如果 T1 撤销了这次修改,那么 T2 读取的数据是脏数据。

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不可重复读

T2 读取一个数据,T1 对该数据做了修改。如果 T2 再次读取这个数据,此时读取的结果和第一次读取的结果不同。

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幻影读

T1 读取某个范围的数据,T2 在这个范围内插入新的数据,T1 再次读取这个范围的数据,此时读取的结果和和第一次读取的结果不同。

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产生并发不一致性问题主要原因是破坏了事务的隔离性,解决方法是通过并发控制来保证隔离性。并发控制可以通过封锁来实现,但是封锁操作需要用户自己控制,相当复杂。数据库管理系统提供了事务的隔离级别,让用户以一种更轻松的方式处理并发一致性问题。

三、封锁

封锁粒度

MySQL 中提供了两种封锁粒度:行级锁以及表级锁。

应该尽量只锁定需要修改的那部分数据,而不是所有的资源。锁定的数据量越少,发生锁争用的可能就越小,系统的并发程度就越高。

但是加锁需要消耗资源,锁的各种操作(包括获取锁、释放锁、以及检查锁状态)都会增加系统开销。因此封锁粒度越小,系统开销就越大。

在选择封锁粒度时,需要在锁开销和并发程度之间做一个权衡。

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封锁类型

1. 读写锁

  • 排它锁(Exclusive),简写为 X 锁,又称写锁。
  • 共享锁(Shared),简写为 S 锁,又称读锁。

有以下两个规定:

  • 一个事务对数据对象 A 加了 X 锁,就可以对 A 进行读取和更新。加锁期间其它事务不能对 A 加任何锁。
  • 一个事务对数据对象 A 加了 S 锁,可以对 A 进行读取操作,但是不能进行更新操作。加锁期间其它事务能对 A 加 S 锁,但是不能加 X 锁。

锁的兼容关系如下:

-XS
X××
S×

2. 意向锁

使用意向锁(Intention Locks)可以更容易地支持多粒度封锁。

在存在行级锁和表级锁的情况下,事务 T 想要对表 A 加 X 锁,就需要先检测是否有其它事务对表 A 或者表 A 中的任意一行加了锁,那么就需要对表 A 的每一行都检测一次,这是非常耗时的。

意向锁在原来的 X/S 锁之上引入了 IX/IS,IX/IS 都是表锁,用来表示一个事务想要在表中的某个数据行上加 X 锁或 S 锁。有以下两个规定:

  • 一个事务在获得某个数据行对象的 S 锁之前,必须先获得表的 IS 锁或者更强的锁;
  • 一个事务在获得某个数据行对象的 X 锁之前,必须先获得表的 IX 锁。

通过引入意向锁,事务 T 想要对表 A 加 X 锁,只需要先检测是否有其它事务对表 A 加了 X/IX/S/IS 锁,如果加了就表示有其它事务正在使用这个表或者表中某一行的锁,因此事务 T 加 X 锁失败。

各种锁的兼容关系如下:

-XIXSIS
X××××
IX××
S××
IS×

解释如下:

  • 任意 IS/IX 锁之间都是兼容的,因为它们只是表示想要对表加锁,而不是真正加锁;
  • S 锁只与 S 锁和 IS 锁兼容,也就是说事务 T 想要对数据行加 S 锁,其它事务可以已经获得对表或者表中的行的 S 锁。

封锁协议

1. 三级封锁协议

一级封锁协议

事务 T 要修改数据 A 时必须加 X 锁,直到 T 结束才释放锁。

可以解决丢失修改问题,因为不能同时有两个事务对同一个数据进行修改,那么事务的修改就不会被覆盖。

T1T2
lock-x(A)
read A=20
lock-x(A)
wait
write A=19.
commit.
unlock-x(A).
obtain
read A=19
write A=21
commit
unlock-x(A)

二级封锁协议

在一级的基础上,要求读取数据 A 时必须加 S 锁,读取完马上释放 S 锁。

可以解决读脏数据问题,因为如果一个事务在对数据 A 进行修改,根据 1 级封锁协议,会加 X 锁,那么就不能再加 S 锁了,也就是不会读入数据。

T1T2
lock-x(A)
read A=20
write A=19
lock-s(A)
wait
rollback.
A=20.
unlock-x(A).
obtain
read A=20
commit
unlock-s(A)

三级封锁协议

在二级的基础上,要求读取数据 A 时必须加 S 锁,直到事务结束了才能释放 S 锁。

可以解决不可重复读的问题,因为读 A 时,其它事务不能对 A 加 X 锁,从而避免了在读的期间数据发生改变。

T1T2
lock-s(A)
read A=20
lock-x(A)
wait
read A=20.
commit.
unlock-s(A).
obtain
read A=20
write A=19
commit
unlock-X(A)

2. 两段锁协议

加锁和解锁分为两个阶段进行。

可串行化调度是指,通过并发控制,使得并发执行的事务结果与某个串行执行的事务结果相同。

事务遵循两段锁协议是保证可串行化调度的充分条件。例如以下操作满足两段锁协议,它是可串行化调度。

lock-x(A)...lock-s(B)...lock-s(C)...unlock(A)...unlock(C)...unlock(B)

但不是必要条件,例如以下操作不满足两段锁协议,但是它还是可串行化调度。

lock-x(A)...unlock(A)...lock-s(B)...unlock(B)...lock-s(C)...unlock(C)

MySQL 隐式与显示锁定

MySQL 的 InnoDB 存储引擎采用两段锁协议,会根据隔离级别在需要的时候自动加锁,并且所有的锁都是在同一时刻被释放,这被称为隐式锁定。

InnoDB 也可以使用特定的语句进行显示锁定:

SELECT ... LOCK In SHARE MODE;
SELECT ... FOR UPDATE;

四、隔离级别

未提交读(READ UNCOMMITTED)

事务中的修改,即使没有提交,对其它事务也是可见的。

提交读(READ COMMITTED)

一个事务只能读取已经提交的事务所做的修改。换句话说,一个事务所做的修改在提交之前对其它事务是不可见的。

可重复读(REPEATABLE READ)

保证在同一个事务中多次读取同样数据的结果是一样的。

可串行化(SERIALIZABLE)

强制事务串行执行。


隔离级别脏读不可重复读幻影读加锁读
未提交读×
提交读××
可重复读×××
可串行化×××

五、多版本并发控制

多版本并发控制(Multi-Version Concurrency Control, MVCC)是 MySQL 的 InnoDB 存储引擎实现隔离级别的一种具体方式,用于实现提交读和可重复读这两种隔离级别。而未提交读隔离级别总是读取最新的数据行,无需使用 MVCC。可串行化隔离级别需要对所有读取的行都加锁,单纯使用 MVCC 无法实现。

版本号

  • 系统版本号:是一个递增的数字,每开始一个新的事务,系统版本号就会自动递增。
  • 事务版本号:事务开始时的系统版本号。

隐藏的列

MVCC 在每行记录后面都保存着两个隐藏的列,用来存储两个版本号:

  • 创建版本号:指示创建一个数据行的快照时的系统版本号;
  • 删除版本号:如果该快照的删除版本号大于当前事务版本号表示该快照有效,否则表示该快照已经被删除了。

Undo 日志

MVCC 使用到的快照存储在 Undo 日志中,该日志通过回滚指针把一个数据行(Record)的所有快照连接起来。

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实现过程

以下实现过程针对可重复读隔离级别。

当开始新一个事务时,该事务的版本号肯定会大于当前所有数据行快照的创建版本号,理解这一点很关键。

1. SELECT

多个事务必须读取到同一个数据行的快照,并且这个快照是距离现在最近的一个有效快照。但是也有例外,如果有一个事务正在修改该数据行,那么它可以读取事务本身所做的修改,而不用和其它事务的读取结果一致。

把没有对一个数据行做修改的事务称为 T,T 所要读取的数据行快照的创建版本号必须小于 T 的版本号,因为如果大于或者等于 T 的版本号,那么表示该数据行快照是其它事务的最新修改,因此不能去读取它。除此之外,T 所要读取的数据行快照的删除版本号必须大于 T 的版本号,因为如果小于等于 T 的版本号,那么表示该数据行快照是已经被删除的,不应该去读取它。

2. INSERT

将当前系统版本号作为数据行快照的创建版本号。

3. DELETE

将当前系统版本号作为数据行快照的删除版本号。

4. UPDATE

将当前系统版本号作为更新前的数据行快照的删除版本号,并将当前系统版本号作为更新后的数据行快照的创建版本号。可以理解为先执行 DELETE 后执行 INSERT。

快照读与当前读

1. 快照读

使用 MVCC 读取的是快照中的数据,这样可以减少加锁所带来的开销。

select * from table ...;

2. 当前读

读取的是最新的数据,需要加锁。以下第一个语句需要加 S 锁,其它都需要加 X 锁。

select * from table where ? lock in share mode;
select * from table where ? for update;
insert;
update;
delete;

六、Next-Key Locks

Next-Key Locks 是 MySQL 的 InnoDB 存储引擎的一种锁实现。

MVCC 不能解决幻读的问题,Next-Key Locks 就是为了解决这个问题而存在的。在可重复读(REPEATABLE READ)隔离级别下,使用 MVCC + Next-Key Locks 可以解决幻读问题。

Record Locks

锁定一个记录上的索引,而不是记录本身。

如果表没有设置索引,InnoDB 会自动在主键上创建隐藏的聚簇索引,因此 Record Locks 依然可以使用。

Gap Locks

锁定索引之间的间隙,但是不包含索引本身。例如当一个事务执行以下语句,其它事务就不能在 t.c 中插入 15。

SELECT c FROM t WHERE c BETWEEN 10 and 20 FOR UPDATE;

Next-Key Locks

它是 Record Locks 和 Gap Locks 的结合,不仅锁定一个记录上的索引,也锁定索引之间的间隙。例如一个索引包含以下值:10, 11, 13, and 20,那么就需要锁定以下区间:

(negative infinity, 10]
(10, 11]
(11, 13]
(13, 20]
(20, positive infinity)

七、关系数据库设计理论

函数依赖

记 A->B 表示 A 函数决定 B,也可以说 B 函数依赖于 A。

如果 {A1,A2,... ,An} 是关系的一个或多个属性的集合,该集合函数决定了关系的其它所有属性并且是最小的,那么该集合就称为键码。

对于 A->B,如果能找到 A 的真子集 A',使得 A'-> B,那么 A->B 就是部分函数依赖,否则就是完全函数依赖。

对于 A->B,B->C,则 A->C 是一个传递函数依赖。

异常

以下的学生课程关系的函数依赖为 Sno, Cname -> Sname, Sdept, Mname, Grade,键码为 {Sno, Cname}。也就是说,确定学生和课程之后,就能确定其它信息。

SnoSnameSdeptMnameCnameGrade
1学生-1学院-1院长-1课程-190
2学生-2学院-2院长-2课程-280
2学生-2学院-2院长-2课程-1100
3学生-3学院-2院长-2课程-295

不符合范式的关系,会产生很多异常,主要有以下四种异常:

  • 冗余数据:例如 学生-2 出现了两次。
  • 修改异常:修改了一个记录中的信息,但是另一个记录中相同的信息却没有被修改。
  • 删除异常:删除一个信息,那么也会丢失其它信息。例如删除了 课程-1 需要删除第一行和第三行,那么 学生-1 的信息就会丢失。
  • 插入异常:例如想要插入一个学生的信息,如果这个学生还没选课,那么就无法插入。

范式

范式理论是为了解决以上提到四种异常。

高级别范式的依赖于低级别的范式,1NF 是最低级别的范式。

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1. 第一范式 (1NF)

属性不可分。

2. 第二范式 (2NF)

每个非主属性完全函数依赖于键码。

可以通过分解来满足。

分解前

SnoSnameSdeptMnameCnameGrade
1学生-1学院-1院长-1课程-190
2学生-2学院-2院长-2课程-280
2学生-2学院-2院长-2课程-1100
3学生-3学院-2院长-2课程-295

以上学生课程关系中,{Sno, Cname} 为键码,有如下函数依赖:

  • Sno -> Sname, Sdept
  • Sdept -> Mname
  • Sno, Cname-> Grade

Grade 完全函数依赖于键码,它没有任何冗余数据,每个学生的每门课都有特定的成绩。

Sname, Sdept 和 Mname 都部分依赖于键码,当一个学生选修了多门课时,这些数据就会出现多次,造成大量冗余数据。

分解后

关系-1

SnoSnameSdeptMname
1学生-1学院-1院长-1
2学生-2学院-2院长-2
3学生-3学院-2院长-2

有以下函数依赖:

  • Sno -> Sname, Sdept
  • Sdept -> Mname

关系-2

SnoCnameGrade
1课程-190
2课程-280
2课程-1100
3课程-295

有以下函数依赖:

  • Sno, Cname -> Grade

3. 第三范式 (3NF)

非主属性不传递函数依赖于键码。

上面的 关系-1 中存在以下传递函数依赖:

  • Sno -> Sdept -> Mname

可以进行以下分解:

关系-11

SnoSnameSdept
1学生-1学院-1
2学生-2学院-2
3学生-3学院-2

关系-12

SdeptMname
学院-1院长-1
学院-2院长-2

八、ER 图

Entity-Relationship,有三个组成部分:实体、属性、联系。

用来进行关系型数据库系统的概念设计。

实体的三种联系

包含一对一,一对多,多对多三种。

  • 如果 A 到 B 是一对多关系,那么画个带箭头的线段指向 B;
  • 如果是一对一,画两个带箭头的线段;
  • 如果是多对多,画两个不带箭头的线段。

下图的 Course 和 Student 是一对多的关系。

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表示出现多次的关系

一个实体在联系出现几次,就要用几条线连接。

下图表示一个课程的先修关系,先修关系出现两个 Course 实体,第一个是先修课程,后一个是后修课程,因此需要用两条线来表示这种关系。

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联系的多向性

虽然老师可以开设多门课,并且可以教授多名学生,但是对于特定的学生和课程,只有一个老师教授,这就构成了一个三元联系。

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一般只使用二元联系,可以把多元联系转换为二元联系。

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表示子类

用一个三角形和两条线来连接类和子类,与子类有关的属性和联系都连到子类上,而与父类和子类都有关的连到父类上。

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参考资料