申論題

並行控制（Concurrency Control）機制定義

在多使用者資料庫系統（multi-user database systems）中，並行控制（concurrency control）機制是一組技術和方法，用於確保多個使用者同時訪問和操作資料庫時，數據的一致性和完整性不受影響。這些機制旨在解決多個事務（transactions）並發執行時可能產生的衝突和問題，確保每個事務的結果是正確和一致的。

並行控制的主要目標

1. 保持資料一致性：確保同時進行的多個事務在操作共享數據時，不會造成數據不一致。
2. 隔離性：確保每個事務的中間狀態對其他事務不可見，防止未完成事務的部分結果影響其他事務。
3. 防止資料衝突：避免多個事務同時修改同一數據造成的資料衝突和異常。

並行控制的常用技術和方法

1. 鎖（Locking）

鎖機制是一種常見的並行控制技術，用於控制多個事務對資料的訪問。主要包括：

• 共享鎖（Shared Lock, S-lock）：允許多個事務讀取同一數據，但不允許修改。適用於讀操作。
• 排他鎖（Exclusive Lock, X-lock）：只允許一個事務讀取和修改數據，防止其他事務同時讀取或修改。適用於寫操作。

鎖粒度：

• 行級鎖（Row-level Locking）：對單行數據進行加鎖，並發性高，但開銷較大。
• 表級鎖（Table-level Locking）：對整個表加鎖，並發性低，但管理簡單。
• 頁級鎖（Page-level Locking）：對數據頁加鎖，平衡了行級鎖和表級鎖的優缺點。

2. 多版本控制（Multiversion Concurrency Control, MVCC）

MVCC 是一種提高並發性的方法，通過為每個事務提供數據的快照來允許讀寫操作並行進行。MVCC 使用時間戳或版本號來管理多個數據版本，主要特性包括：

• 讀不加鎖：讀操作不需要等待寫操作完成，可以直接讀取數據的快照版本。
• 寫操作基於時間戳：每個寫操作會創建數據的新版本，舊版本仍然可用於進行讀操作，直到不再需要為止。

3. 時間戳排序（Timestamp Ordering）

時間戳排序是根據每個事務的時間戳來決定其執行順序的並行控制方法。主要特性包括：

• 每個事務分配一個唯一的時間戳。
• 讀寫操作根據時間戳排序：確保早期事務的操作先於晚期事務，防止讀寫衝突。

4. 悲觀控制與樂觀控制

• 悲觀控制（Pessimistic Concurrency Control）：預期會發生衝突，通常使用鎖機制，在訪問數據前加鎖以防止衝突。
• 樂觀控制（Optimistic Concurrency Control）：預期不會發生衝突，允許自由訪問數據，僅在提交事務時檢查衝突。如果發生衝突，則回滾事務。

5. 兩階段鎖定協議（Two-Phase Locking, 2PL）

2PL 是一種保證事務隔離性的鎖定協議，分為兩個階段：

• 增長階段（Growing Phase）：事務可以獲取鎖，但不能釋放鎖。
• 收縮階段（Shrinking Phase）：事務可以釋放鎖，但不能再獲取鎖。

6. 衝突序列化（Conflict Serializability）

衝突序列化確保事務的執行順序與某個序列化順序等價。主要通過檢查和調整事務操作的衝突來實現：

• 檢查衝突：識別讀-寫、寫-讀和寫-寫操作之間的衝突。
• 調整順序：根據衝突圖確定安全的執行順序，避免衝突。

並行控制機制的應用

並行控制機制在多使用者資料庫系統中廣泛應用，主要用於：

• 交易處理系統：如銀行系統、電子商務平台等，確保多個交易並發執行時數據的一致性和完整性。
• 分布式資料庫：管理跨多個節點的事務，確保全局數據一致性。
• 高並發環境：如線上社交平台、即時通訊系統等，處理大量並發請求。

總結

並行控制機制在多使用者資料庫系統中起著關鍵作用，通過使用鎖、MVCC、時間戳排序、悲觀控制與樂觀控制、兩階段鎖定協議等技術，確保多個事務同時操作資料庫時的數據一致性、完整性和隔離性。這些機制的選擇和應用取決於具體的應用場景和性能要求。