在多用户共享系统中,许多事务可能同时对同一数据进行操作,称为“并发操作”,此时数据库管理系统的并发控制子系统负责协调并发事务的执行,保证数据库的完整性不受破坏,同时避免用户得到不正确的数据。
封锁机制是并发控制的主要手段。封锁是使事务对它要操作的数据有一定的控制能力。封锁具有3个环节:第一个环节是申请加锁,即事务在操作前要对它欲使用的数据提出加锁请求;第二个环节是获得锁,即当条件成熟时,系统允许事务对数据加锁,从而事务获得数据的控制权;第三个环节是释放锁,即完成操作后事务放弃数据的控制权。为了达到封锁的目的,在使用时事务应选择合适的锁,并要遵从一定的封锁协议。

数据库的并发操作带来的问题有:丢失更新问题、不一致分析问题(读过时的数据)、依赖于未提交更新的问题(读了“脏”数据)。这三个问题需要 DBMS 的并发控制子系统来解决。处理并发控制的主要方法是采用封锁技术。它有两种类型:排他型封锁(X 封锁)和共
享型封锁(S 封锁),分别介绍如下:
(1)排他型封锁(简称 X 封锁)。如果事务 T 对数据 A(可以是数据项、记录、数据集,乃至整个数据库)实现了 X 封锁,那么只允许事务T读取和修改数据 A,其他事务要等事务T解除X 封锁以后,才能对数据 A 实现任何类型的封锁。可见 X 封锁只允许一个事务独锁某个数据,具有排他性。
(2)共享型封锁(简称 S 封锁)。X 封锁只允许一个事务独锁和使用数据,要求太严。需要适当放宽,例如可以允许并发读,但不允许修改,这就产生了 S 封锁概念。S 封锁的含义是:如果事务 T 对数据 A 实现了 S 封锁,那么允许事务 T 读取数据A,但不能修改数据 A,在所有 S 封锁解除之前绝不允许任何事务对数据 A 实现 X 封锁。
数据库是一个共享资源,它允许多个用户程序并行地存取数据库中的数据,但是,如果系统对并行操作不加以控制,就会存取不正确的数据,破坏数据库的完整性。
在多个事务并发执行的系统中,主要采取封锁协议来进行处理。
(1)一级封锁协议。事务T 在修改数据 R 之前必须先对其加 X 锁,直到事务结束才释放。一级封锁协议可防止丢失修改,并保证事务T是可恢复的。但不能保证可重复读和不读“脏”数据(改了又恢复)。

可见,一级封锁协议可有效地防止“丢失更新”,并能够保证事务T的可恢复性。但是,由于一级封锁没有要求对读数据进行加锁,所以不能保证可重复读和不读“脏”数据。表10.5所示的操作过程遵从一级封锁协议,但仍然发生了读“脏”数据错误。读者可以用类似的操作实例,便会发现一级封锁协议也不能避免不可重复读的错误。

不可重复读,是指在数据库访问中,一个事务范围内两个相同的查询却返回了不同数据。这是由于查询时系统中其他事务修改的提交而引起的。比如事务T1读取某一数据,事务T2读取并修改了该数据,T1为了对读取值进行检验而再次读取该数据,便得到了不同的结果。

(2)二级封锁协议。一级封锁协议加上事务 T 在读取数据 R 之前先对其加 S 锁,读完后即可释放 S 锁。二级封锁协议可防止丢失修改,还可防止读“脏”数据,但不能保证可重复读(前后不一样)。

(3)三级封锁协议。一级封锁协议加上事务 T 在读取数据 R 之前先对其加 S 锁,直到事务结束才释放。由于三级封锁协议强调即使事务读完数据A之后也不释放S锁,从而使得别的事务无法更改数据A。三级封锁协议可防止丢失修改、防止读“脏”数据与防止数据重复读。
(4)两段锁协议。所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁。其中扩展阶段是在对任何数据进行读、写操作之前,首先要申请并获得对该数据的封锁;收缩阶段是在释放一个封锁之后,事务不能再申请和获得任何其他封锁。若并发执行的所有事务均遵守两段封锁
协议,则对这些事务的任何并发调度策略都是可串行化的。遵守两段封锁协议的事务可能发生死锁。
下面讨论封锁的粒度。所谓封锁的粒度即是被封锁数据目标的大小。在关系数据库中,封锁粒度有属性值、属性值集、元组、关系、某索引项(或整个索引)、整个关系数据库、物理页(块)等几种。
封锁粒度小则并发性高,但开销大;封锁粒度大则并发性低,但开销小。综合平衡照顾不同需求以合理选取适当的封锁粒度是很重要的。
采用封锁的方法固然可以有效防止数据的不一致性,但封锁本身也会产生一些麻烦,最主要的就是死锁问题。所谓死锁是指多个用户申请不同封锁,由于申请者均拥有一部分封锁权而又需等待另外用户拥有的部分封锁而引起的永无休止的等待。一般来讲,死锁是可以避免的,目前采用的办法有以下几种:
(1)预防法。此种方法是采用一定的操作方式以保证避免死锁的出现,顺序申请法、一次申请法等即是此类方法。所谓顺序申请法是指对封锁对象按序编号,在用户申请封锁时必须按编号顺序(从小到大或反之)申请,这样能避免死锁发生。所谓一次申请法即是指用户在一个完整操作过程中必须一次性申请它所需要的所有封锁,并在操作结束后一次性归还所有封锁,这样也能避免死锁的发生。
(2)死锁的解除法。此种方法允许产生死锁,并在死锁产生后通过解锁程序以解除死锁。这种方法需要有两个程序,一是死锁检测程序,用它测定死锁是否发生,另一是解锁程序,一旦经测定系统已产生死锁则启动解锁程序以解除死锁。有关死锁检测及解锁技术请参阅相应的资料,这里不做进一步讨论。