一、請先說明資料庫管理系統為什麼需要做「並行控制」（Concurrency Control），並請定義並行控制所使用的「兩階段鎖定協定」（Two-Phase Locking Protocol）。（20 分）

為什麼需要並行控制？

在資料庫管理系統（DBMS）中，並行控制是確保多個交易（transactions）能夠安全地並行執行的機制。其主要目的是避免並發執行帶來的問題，並保證資料庫的一致性和完整性。並行控制的重要性主要體現在以下幾個方面：

1. 資料一致性（Data Consistency）：

   • 保證資料庫在多個交易並行執行後仍然處於一致的狀態。避免因為多個交易同時讀寫相同資料而導致的不一致情況。

2. 隔離性（Isolation）：

   • 每個交易在執行過程中不受其他交易的影響，模擬一個獨佔使用資料庫的環境。這樣可以避免「髒讀」（dirty read）、「不可重複讀」（non-repeatable read）和「幻影讀」（phantom read）等問題。

3. 避免死鎖（Deadlock）和資源競爭：

   • 有效的並行控制機制可以減少或避免死鎖情況的發生，並優化資源使用，提升系統性能。

4. 提高性能（Performance）：

   • 合理的並行控制允許多個交易並行執行，從而提高系統的吞吐量和資源利用率。

兩階段鎖定協定（Two-Phase Locking Protocol）

兩階段鎖定協定（Two-Phase Locking Protocol, 2PL）是一種常見的並行控制機制，用於保證交易的隔離性和資料庫的一致性。該協定將鎖定操作分為兩個階段：擴展階段（Growing Phase）和收縮階段（Shrinking Phase）。

定義：

1. 擴展階段（Growing Phase）：

   • 在擴展階段，交易可以申請鎖（lock）並獲取所需的所有鎖，但不能釋放任何鎖。
   • 當交易需要讀取或寫入某個資料項時，會申請相應的共享鎖（shared lock）或排他鎖（exclusive lock）。

2. 收縮階段（Shrinking Phase）：

   • 一旦交易釋放了第一個鎖，就進入了收縮階段。在收縮階段，交易只能釋放鎖，不能再申請任何新的鎖。

操作步驟：

1. 交易開始：

   • 交易開始執行，進入擴展階段，申請所需的鎖。

2. 鎖的申請和獲取：

   • 交易在執行過程中，不斷申請和獲取所需的共享鎖或排他鎖。

3. 進入收縮階段：

   • 當交易釋放了第一個鎖，進入收縮階段，此時不能再申請新的鎖。

4. 釋放所有鎖：

   • 交易完成所有操作後，釋放所有持有的鎖，結束交易。

優點：

• 避免資料不一致：2PL保證了所有的讀寫操作在交易內是互斥的，避免了資料不一致的問題。
• 確保隔離性：通過鎖定機制，2PL能有效確保交易的隔離性。

缺點：

• 可能導致死鎖：如果多個交易互相等待對方釋放鎖，可能會導致死鎖。
• 性能影響：過多的鎖操作和等待可能會影響系統的性能。

範例

假設有兩個交易 T1T1T1 和 T2T2T2，它們分別需要讀寫資料庫中的資源 A 和 B。

• 交易 T1T1T1 先申請 A 的排他鎖，然後申請 B 的排他鎖。
• 交易 T2T2T2 先申請 B 的排他鎖，然後申請 A 的排他鎖。

如果 T1T1T1 已經獲得了 A 的鎖，且 T2T2T2 已經獲得了 B 的鎖，這時就會出現死鎖現象，因為 T1T1T1 和 T2T2T2 都在等待對方釋放鎖，無法繼續執行。

在實現中，可以使用死鎖檢測機制來解決這個問題，例如定期檢查鎖等待圖（wait-for graph）來檢測和處理死鎖。

並行控制在資料庫管理系統中至關重要，用於保證多個交易並行執行時的資料一致性和隔離性。兩階段鎖定協定（2PL）是實現並行控制的一種常見方法，通過擴展階段和收縮階段的鎖操作來保證交易的正確性和一致性。雖然2PL可能會導致死鎖和性能問題，但它在確保資料庫完整性和交易隔離性方面具有重要作用。