Cơ sở dữ liệu - Chapter 16: Concurrency control

Database System Concepts 5th Ed. © Silberschatz, Korth and Sudarshan, 2005  See www.db­book.com for conditions on re­use  Chapter 16 : Concurrency Control  Version: Oct 5, 2006 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Chapter 16: Concurrency Control n Lock­Based Protocols n Timestamp­Based Protocols n Validation­Based Protocols n Multiple Granularity n Multiversion Schemes n Insert and Delete Operations n Concurrency in Index Structures ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock­Based Protocols n A lock is a mechanism to control concurrent access to a data item n Data items can be locked in two modes :     1.  exclusive (X) mode. Data item can be both read as well as             written. X­lock is requested using  lock­X instruction.     2.  shared (S) mode. Data item can only be read. S­lock is                    requested using  lock­S instruction. n Lock requests are made to concurrency­control manager. Transaction can  proceed only after request is granted. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock­Based Protocols (Cont.) n Lock­compatibility matrix n A transaction may be granted a lock on an item if the requested lock is  compatible with locks already held on the item by other transactions n Any number of transactions can hold shared locks on an item,  l but if any transaction holds an exclusive on the item no other  transaction may hold any lock on the item. n If a lock cannot be granted, the requesting transaction is made to wait till  all incompatible locks held by other transactions have been released.   The lock is then granted. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock­Based Protocols (Cont.) n Example of a transaction performing locking:                        T2: lock­S(A);                              read (A);                              unlock(A);                              lock­S(B);                              read (B);                              unlock(B);                              display(A+B) n Locking as above is not sufficient to guarantee serializability — if A and B  get updated in­between the read of A and B, the displayed sum would be  wrong. n A  locking protocol is a set of rules followed by all transactions while  requesting and releasing locks. Locking protocols restrict the set of  possible schedules. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Pitfalls of Lock­Based Protocols n Consider the partial schedule n Neither T3 nor T4 can make progress — executing  lock­S(B) causes T4  to wait for T3 to release its lock on B, while executing  lock­X(A) causes  T3  to wait for T4 to release its lock on A. n Such a situation is called a deadlock.  l To handle a deadlock one of T3 or T4 must be rolled back  and its locks released. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Pitfalls of Lock­Based Protocols (Cont.) n The potential for deadlock exists in most locking protocols. Deadlocks  are a necessary evil. n Starvation is also possible if concurrency control manager is badly  designed. For example: l A transaction may be waiting for an X­lock on an item, while a  sequence of other transactions request and are granted an S­lock  on the same item.   l The same transaction is repeatedly rolled back due to deadlocks. n Concurrency control manager can be designed to prevent starvation. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition The Two­Phase Locking Protocol n This is a protocol which ensures conflict­serializable schedules. n Phase 1: Growing Phase l transaction may obtain locks  l transaction may not release locks n Phase 2: Shrinking Phase l transaction may release locks l transaction may not obtain locks n The protocol assures serializability. It can be proved that the  transactions can be serialized in the order of their lock points  (i.e.  the point where a transaction acquired its final lock).  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition The Two­Phase Locking Protocol (Cont.) n Two­phase locking does not ensure freedom from deadlocks n Cascading roll­back is possible under two­phase locking. To avoid  this, follow a modified protocol called strict two­phase locking. Here  a transaction must hold all its exclusive locks till it commits/aborts. n Rigorous two­phase locking is even stricter: here all locks are held  till commit/abort. In this protocol transactions can be serialized in the  order in which they commit. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition The Two­Phase Locking Protocol (Cont.) n There can be conflict serializable schedules that cannot be obtained if  two­phase locking is used.   n However, in the absence of extra information (e.g., ordering of  access  to data), two­phase locking is needed for conflict serializability in the  following sense:     Given a transaction Ti that does not follow two­phase locking, we can  find a transaction Tj that uses two­phase locking, and a schedule for Ti  and Tj that is not conflict serializable. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock Conversions n Two­phase locking with lock conversions:      –   First Phase:         l can acquire a lock­S on item l can acquire a lock­X on item l can convert a lock­S to a lock­X (upgrade)      –   Second Phase: l can release a lock­S l can release a lock­X l can convert a lock­X to a lock­S  (downgrade) n This protocol assures serializability. But still relies on the programmer to  insert the various  locking instructions. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Automatic Acquisition of Locks n A transaction Ti issues the standard read/write instruction, without  explicit locking calls. n The operation read(D) is processed as:                       if Ti has a lock on D                          then                                 read(D)                           else begin                                     if necessary wait until no other                                          transaction has a lock­X on D                                    grant Ti a  lock­S on D;                                    read(D)                                 end ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Automatic Acquisition of Locks (Cont.) n write(D) is processed as:      if Ti has a  lock­X on D          then            write(D)        else begin             if necessary wait until no other trans. has any lock on D,             if Ti has a lock­S on D                  then                     upgrade lock on D  to lock­X                 else                     grant Ti a lock­X on D                 write(D)          end; n All locks are released after commit or abort ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Implementation of Locking n A lock manager can be implemented as a separate process to which  transactions send lock and unlock requests n The lock manager replies to a lock request by sending a lock grant  messages (or a message asking the transaction to roll back, in case of   a deadlock) n The requesting transaction waits until its request is answered n The lock manager maintains a data­structure called a lock table to  record granted locks and pending requests n The lock table is usually implemented as an in­memory hash table  indexed on the name of the data item being locked ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock Table n Black rectangles indicate granted locks,  white ones indicate waiting requests n Lock table also records the type of lock  granted or requested n New request is added to the end of the  queue of requests for the data item, and  granted if it is compatible with all earlier  locks n Unlock requests result in the request  being deleted, and later requests are  checked to see if they can now be  granted n If transaction aborts, all waiting or  granted requests of the transaction are  deleted  l lock manager may keep a list of  locks held by each transaction, to  implement this efficiently Granted Waiting ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Graph­Based Protocols n Graph­based protocols are an alternative to two­phase locking n Impose a partial ordering → on the set D = {d1, d2 ,..., dh} of all data  items. l If di → dj  then any transaction accessing both di and dj must  access di before accessing dj. l Implies that the set D may now be viewed as a directed acyclic  graph, called a database graph. n The tree­protocol is a simple kind of graph protocol.  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Tree Protocol 1. Only exclusive locks are allowed. 2. The first lock by Ti may be on any data item. Subsequently, a data Q  can be locked by Ti only if the parent of Q is currently locked by Ti. 3. Data items may be unlocked at any time. 4. A data item that has been locked and unlocked by Ti  cannot  subsequently be relocked by Ti  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Graph­Based Protocols (Cont.) n The tree protocol ensures conflict serializability as well as freedom from  deadlock. n Unlocking may occur earlier in the tree­locking protocol than in the two­ phase locking protocol. l shorter waiting times, and increase in concurrency l protocol is deadlock­free, no rollbacks are required n Drawbacks l Protocol does not guarantee recoverability or cascade freedom  Need to introduce commit dependencies to ensure recoverability  l Transactions may have to lock data items that they do not access.  increased locking overhead, and additional waiting time  potential decrease in concurrency n Schedules not possible under two­phase locking are possible under tree  protocol, and vice versa. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiple Granularity n Allow  data items to be of various sizes and define a hierarchy of data  granularities, where the small granularities are nested within larger  ones n Can be represented graphically as a tree (but don't confuse with tree­ locking protocol) n When a transaction locks a node in the tree explicitly, it implicitly locks  all the node's descendents in the same mode. n Granularity of locking (level in tree where locking is done): l fine granularity (lower in tree): high concurrency, high locking  overhead l coarse granularity  (higher in tree): low locking overhead, low  concurrency ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Example of Granularity Hierarchy       The levels, starting from the coarsest (top) level are l database l area l file l record  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Intention Lock Modes n In addition to S and X lock modes, there are three additional lock  modes with multiple granularity: l intention­shared (IS): indicates explicit locking at a lower level of  the tree but only with shared locks. l intention­exclusive (IX): indicates explicit locking at a lower level  with exclusive or shared locks l shared and intention­exclusive (SIX): the subtree rooted by that  node is locked explicitly in shared mode and explicit locking is  being done at a lower level with exclusive­mode locks. n intention locks allow a higher level node to be locked in S or X mode  without having to check all descendent nodes. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Compatibility Matrix with  Intention Lock Modes n The compatibility matrix for all lock modes is:  IS IX S S IX X  IS IX S S IX X      ×     × × × × × × ×× × × × × × ×× ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiple Granularity Locking Scheme n Transaction Ti can lock a node Q, using the following rules: 1. The lock compatibility matrix must be observed. 2. The root of the tree must be locked first, and may be locked in any  mode. 3. A node Q can be locked by Ti in S or IS mode only if the parent of Q  is currently locked by Ti in either IX or IS mode. 4. A node Q can be locked by Ti in X, SIX, or IX mode only if the parent  of Q is currently locked by Ti in either IX or SIX mode. 5. Ti can lock a node only if it has not previously unlocked any node  (that is, Ti is two­phase). 6. Ti can unlock a node Q only if none of the children of Q are currently  locked by Ti. n Observe that locks are acquired in root­to­leaf order, whereas they are  released in leaf­to­root order. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock Handling n Consider the following two transactions:              T1:     write (X)               T2:    write(Y)                       write(Y)                         write(X) n Schedule with deadlock T1 T2 lock­X on X write (X)  lock­X on Y write (X)   wait for lock­X on X wait for lock­X on Y ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock Handling n System is deadlocked if there is a set of transactions such that every  transaction in the set is waiting for another transaction in the set. n Deadlock prevention protocols ensure that the system will never  enter into a deadlock state. Some prevention strategies : l Require that each transaction locks all its data items before it  begins execution (predeclaration). l Impose partial ordering of all data items and require that a  transaction can lock data items only in the order specified by the  partial order (graph­based protocol). ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition More Deadlock Prevention Strategies n Following schemes use transaction timestamps for the sake of deadlock  prevention alone. n wait­die scheme — non­preemptive l older transaction may wait for younger one to release data item.  Younger transactions never wait for older ones; they are rolled back  instead. l a transaction may die several times before acquiring needed data  item n wound­wait scheme — preemptive l older transaction wounds (forces rollback) of younger transaction  instead of waiting for it. Younger transactions may wait for older  ones. l may be fewer rollbacks than wait­die scheme. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock prevention (Cont.) n Both in wait­die and in wound­wait schemes, a rolled back  transactions is restarted with its original timestamp. Older transactions  thus have precedence over newer ones, and starvation is hence  avoided. n Timeout­Based Schemes : l a transaction waits for a lock only for a specified amount of time.  After that, the wait times out and the transaction is rolled back. l thus deadlocks are not possible l simple to implement; but starvation is possible. Also difficult to  determine good value of the timeout interval. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock Detection n Deadlocks can be described as a wait­for graph, which consists of a  pair G = (V,E),  l V is a set of vertices (all the transactions in the system) l E is a set of edges; each element is an ordered pair Ti →Tj.   n If Ti →  Tj is in E, then there is a directed edge from Ti to Tj, implying  that Ti is waiting for Tj to release a data item. n When Ti requests a data item currently being held by Tj, then the edge  Ti  Tj is inserted in the wait­for graph. This edge is removed only when  Tj is no longer holding a data item needed by Ti. n The system is in a deadlock state if and only if the wait­for graph has a  cycle.  Must invoke a deadlock­detection algorithm periodically to look  for cycles. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock Detection (Cont.) Wait­for graph without a cycle Wait­for graph with a cycle ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Deadlock Recovery n When deadlock is  detected : l Some transaction will have to rolled back (made a victim) to break  deadlock.  Select that transaction as victim that will incur minimum  cost. l Rollback ­­ determine how far to roll back transaction  Total rollback: Abort the transaction and then restart it.  More effective to roll back transaction only as far as necessary  to break deadlock. l Starvation happens if same transaction is always chosen as  victim. Include the number of rollbacks in the cost factor to avoid  starvation Database System Concepts 5th Ed. © Silberschatz, Korth and Sudarshan, 2005  See www.db­book.com for conditions on re­use  Other Approaches to Concurrency  Control ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Timestamp­Based Protocols n Each transaction is issued a timestamp when it enters the system. If an old  transaction Ti has time­stamp TS(Ti), a new transaction Tj is assigned time­ stamp TS(Tj) such that TS(Ti) <TS(Tj).  n The protocol manages concurrent execution such that the time­stamps  determine the serializability order. n In order to assure such behavior, the protocol maintains for each data Q two  timestamp values: l W­timestamp(Q) is the largest time­stamp of any transaction that  executed write(Q) successfully. l R­timestamp(Q) is the largest time­stamp of any transaction that  executed read(Q) successfully. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Timestamp­Based Protocols (Cont.) n The timestamp ordering protocol ensures that any conflicting  read  and write operations are executed in timestamp order. n Suppose a transaction Ti issues a read(Q) 1. If TS(Ti) ≤ W­timestamp(Q), then Ti needs to read a value of Q         that was already overwritten. n Hence, the read operation is rejected, and Ti  is rolled back. 2. If TS(Ti)≥ W­timestamp(Q), then the read operation is executed,  and R­timestamp(Q) is set to max(R­timestamp(Q), TS(Ti)). ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Timestamp­Based Protocols (Cont.) n Suppose that transaction Ti issues write(Q). 1. If TS(Ti) < R­timestamp(Q), then the value of Q that Ti is  producing was needed previously, and the system assumed that  that value would never be produced.  n Hence, the write operation is rejected, and Ti is rolled back. 2. If TS(Ti) < W­timestamp(Q), then Ti is attempting to write an  obsolete value of Q.  n Hence, this write operation is rejected, and Ti is rolled back. 3. Otherwise, the  write operation is executed, and W­timestamp(Q)  is set to TS(Ti). ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Example Use of the Protocol A partial schedule for several data items for transactions with timestamps 1, 2, 3, 4, 5 T1 T2 T3 T4 T5 read(Y) read(X)  read(Y) write(Y)  write(Z)  read(Z)  read(X)  abort  read(X)  write(Z)  abort   write(Y)  write(Z)   ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Correctness of Timestamp­Ordering Protocol n The timestamp­ordering protocol guarantees serializability since all the  arcs in the precedence graph are of the form:     Thus, there will be no cycles in the precedence graph n Timestamp protocol ensures freedom from deadlock as no transaction  ever waits.   n But the schedule may not be cascade­free, and may  not even be  recoverable. transaction with smaller timestamp transaction with larger timestamp  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Recoverability and Cascade Freedom n Problem with timestamp­ordering protocol: l Suppose Ti aborts, but Tj has read a data item written by  Ti l Then Tj must abort; if Tj had been allowed to commit earlier, the  schedule is not recoverable. l Further, any transaction that has read a data item written by Tj must  abort l This can lead to cascading rollback ­­­ that is, a chain of rollbacks  n  Solution 1: l A transaction is structured such that its writes are all performed at  the end of its processing l All writes of a transaction form an atomic action; no transaction may  execute while a transaction is being written l A transaction that aborts is restarted with a new timestamp n Solution 2: Limited form of locking: wait for data to be committed before  reading it n Solution 3: Use commit dependencies to ensure recoverability ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Thomas’ Write Rule n Modified version of the timestamp­ordering protocol in which obsolete   write operations may be ignored under certain circumstances. n When Ti attempts to write data item Q, if TS(Ti) < W­timestamp(Q),  then Ti is attempting to write an obsolete value of {Q}.  l Rather than rolling back Ti as the timestamp ordering protocol  would have done, this {write} operation can be ignored. n Otherwise this protocol is the same as the timestamp ordering  protocol. n Thomas' Write Rule allows greater potential concurrency.  l Allows some view­serializable schedules that are not conflict­ serializable. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Validation­Based Protocol n Execution of transaction Ti is done in three phases.   1.  Read and execution phase: Transaction Ti writes only to                 temporary local variables   2.  Validation phase: Transaction Ti performs a ``validation test''          to determine if local variables can be written without violating                  serializability.   3.  Write phase: If Ti is validated, the updates are applied to the    database; otherwise, Ti is rolled back. n The three phases of concurrently executing transactions can be     interleaved, but each transaction must go through the three phases in that  order. l Assume for simplicity that the validation and write phase occur  together, atomically and serially  I.e., only one transaction executes validation/write at a time.  n Also called as optimistic concurrency control since transaction  executes fully in the hope that all will go well during validation ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Validation­Based Protocol (Cont.) n Each transaction Ti has 3 timestamps l Start(Ti) : the time when Ti started its execution l Validation(Ti): the time when Ti entered its validation phase l Finish(Ti) : the time when Ti finished its write phase n Serializability order is determined by timestamp given at validation  time,  to increase concurrency.  l Thus TS(Ti) is given the value of Validation(Ti). n This protocol is useful and gives greater degree of concurrency if  probability of conflicts is low.  l because the serializability order is not pre­decided, and l relatively few transactions will have to be rolled back. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Validation Test for Transaction Tj n If for all Ti with TS (Ti) < TS (Tj) either one of the following condition  holds: l finish(Ti) < start(Tj)  l start(Tj) < finish(Ti) < validation(Tj) and the set of data items  written by Ti does not intersect with the set of data items read by  Tj.        then validation succeeds and Tj can be committed.  Otherwise,  validation fails and Tj is aborted. n Justification:  Either the first condition is satisfied, and there is no  overlapped execution, or the second condition is satisfied and n the writes of Tj do not affect reads of Ti since they occur after Ti  has finished its reads. n the writes of Ti do not affect reads of Tj since Tj does not read   any item written by Ti. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Schedule Produced by Validation n Example of schedule produced using validation T14 T15 read(B) read(B) B:= B­50 read(A) A:= A+50 read(A) (validate) display (A+B) (validate) write (B) write (A) ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiversion Schemes n Multiversion schemes keep old versions of data item to increase  concurrency. l Multiversion Timestamp Ordering l Multiversion Two­Phase Locking n Each successful write results in the creation of a new version of the  data item written. n Use timestamps to label versions. n When a read(Q) operation is issued, select an appropriate version of  Q based on the timestamp of the transaction, and return the value of  the selected version.   n reads never have to wait as an appropriate version is returned  immediately. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiversion Timestamp Ordering n Each data item Q has a sequence of versions . Each  version Qk contains three data fields: l Content ­­ the value of version Qk. l W­timestamp(Qk) ­­ timestamp of the transaction that created  (wrote) version Qk l R­timestamp(Qk) ­­ largest timestamp of a transaction that  successfully read version Qk n when a transaction Ti creates a new version Qk of Q, Qk's W­ timestamp and R­timestamp are initialized to TS(Ti).  n R­timestamp of Qk is updated whenever a transaction Tj reads Qk, and  TS(Tj) > R­timestamp(Qk). ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiversion Timestamp Ordering (Cont) n Suppose that transaction Ti issues a read(Q) or write(Q) operation.  Let  Qk denote the version of Q whose write timestamp is the largest write  timestamp less than or equal to TS(Ti). 1. If transaction Ti issues a read(Q), then the value returned is the        content of version Qk. 2. If transaction Ti issues a  write(Q) 1. if TS(Ti) < R­timestamp(Qk), then transaction Ti is rolled back.  2. if TS(Ti) = W­timestamp(Qk), the contents of Qk are overwritten 3. else a new version of Q is created. n Observe that l Reads always succeed l A write by Ti is rejected if some other transaction Tj that (in the  serialization order defined by the timestamp values) should read  Ti's write, has already read a version created by a transaction older  than Ti. n Protocol guarantees serializability ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiversion Two­Phase Locking n Differentiates between read­only transactions and update transactions n Update transactions acquire read and write locks, and hold all locks up  to the end of the transaction. That is, update transactions follow rigorous  two­phase locking. l Each successful write results in the creation of a new version of the  data item written. l each version of a data item has a single timestamp whose value is  obtained from a counter ts­counter that is incremented during  commit processing. n Read­only transactions are assigned a timestamp by reading the current  value of  ts­counter before they start execution; they follow the  multiversion timestamp­ordering protocol for performing reads. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Multiversion Two­Phase Locking (Cont.) n When an update transaction wants to read a data item: l it obtains a shared lock on it, and reads the latest version.  n When it wants to write an item l it obtains X lock on; it then creates a new version of the item and  sets this version's timestamp to ∞. n When update transaction Ti completes, commit processing occurs: l Ti sets timestamp on the versions it has created to  ts­counter + 1 l Ti increments  ts­counter by 1 n Read­only transactions that start after Ti increments ts­counter will see  the values updated by Ti.  n Read­only transactions that start before Ti increments the ts­counter will see the value before the updates by Ti.  n Only serializable schedules are produced. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition MVCC: Implementation Issues n Creation of multiple versions increases storage overhead l Extra tuples l Extra space in each tuple for storing version information n Versions can, however, be garbage collected l E.g. if Q has two versions Q5 and Q9, and the oldest active  transaction has timestamp > 9, than Q5 will never be required  again ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Insert and Delete Operations n If two­phase locking is used : l A  delete operation may be performed only if the transaction  deleting the tuple has an exclusive lock on the tuple to be deleted. l A transaction that inserts a new tuple into the database is given an  X­mode lock on the tuple n Insertions and deletions can lead to the phantom phenomenon. l A transaction that scans a relation   (e.g., find sum of balances of all accounts in Perryridge)  and a transaction that inserts a tuple in the relation   (e.g., insert a new account at Perryridge) (conceptually) conflict in spite of not accessing any tuple in  common. l If only tuple locks are used, non­serializable schedules can result  E.g. the scan transaction does not see the new account, but  reads some other tuple written by the update transaction ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Insert  and Delete Operations (Cont.) n The transaction scanning the relation is reading  information that indicates  what tuples the relation contains, while a transaction inserting a tuple  updates the same information. l  The information should be locked. n One solution:  l Associate a data item with the relation, to represent the information  about what tuples the relation contains. l Transactions scanning the relation acquire a shared lock in the data  item,  l Transactions inserting or deleting a tuple acquire an exclusive lock on  the data item. (Note: locks on the data item do not conflict with locks on  individual tuples.) n Above protocol provides very low concurrency for insertions/deletions. n Index locking protocols provide higher concurrency while  preventing the phantom phenomenon, by requiring locks  on certain index buckets.  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Index Locking Protocol n Index locking protocol: l Every relation must have at least one index.  l A transaction can access tuples only after finding them through one or  more indices on the relation l A transaction Ti that performs a lookup must lock all the index leaf  nodes that it accesses, in S­mode  Even if the leaf node does not contain any tuple satisfying the index  lookup (e.g. for a range query, no tuple in a leaf is in the range) l A transaction Ti that inserts, updates or deletes a tuple ti in a relation r   must update all indices to r  must obtain exclusive locks on all index leaf nodes affected by the  insert/update/delete l The rules of the two­phase locking protocol must be observed n Guarantees that phantom phenomenon won’t occur ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Weak Levels of Consistency n Degree­two consistency: differs from two­phase locking in that S­locks  may be released at any time, and locks may be acquired at any time l X­locks must be held till end of transaction l Serializability is not guaranteed, programmer must ensure that no  erroneous database state will occur] n Cursor stability:  l For reads, each tuple is locked, read, and lock is immediately  released l X­locks are held till end of transaction l Special case of degree­two consistency ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Weak Levels of Consistency in SQL n SQL allows non­serializable executions l Serializable: is the default l Repeatable read: allows only committed records to be read, and  repeating a read should return the same value (so read locks should  be retained)  However, the phantom phenomenon need not be prevented – T1 may see some records inserted by T2, but may not see  others inserted by T2 l Read committed:  same as degree two consistency, but most  systems implement it as cursor­stability l Read uncommitted: allows even uncommitted data to be read n In many database systems, read committed is the default consistency  level l has to be explicitly changed to serializable when required  set isolation level serializable ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Concurrency in Index Structures n Indices are unlike other database items in that their only job is to help in  accessing data. n Index­structures are typically accessed very often, much more than  other database items.  l Treating index­structures like other database items, e.g. by 2­phase  locking of index nodes can lead to low concurrency.    n There are several index concurrency protocols where locks on internal  nodes are released early, and not in a two­phase fashion. l It is acceptable to have nonserializable concurrent access to an  index as long as the accuracy of the index is maintained.  In particular, the exact values read in an internal node of a  B+­tree are irrelevant so long as we land up in the correct leaf  node. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Concurrency in Index Structures (Cont.) n Example of index concurrency protocol: n Use crabbing instead of two­phase locking on the nodes of the B+­tree, as  follows.  During search/insertion/deletion: l First lock the root node in shared mode. l After locking all required children of a node in shared mode, release the lock  on the node. l During insertion/deletion, upgrade leaf node locks to exclusive mode. l When splitting or coalescing requires changes to a parent, lock the parent in  exclusive mode. n Above protocol can cause excessive deadlocks l Searches coming down the tree deadlock with updates going up the tree l Can abort and restart search, without affecting transaction n  Better protocols are available; see Section 16.9 for one such protocol, the B­link  tree protocol l Intuition: release lock on parent before acquiring lock on child  And deal with changes that may have happened between lock release  and acquire ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Next­Key Locking n Index­locking protocol to prevent phantoms required locking entire leaf l Can result in poor concurrency if there are many inserts n Alternative: for an index lookup l Lock all values that satisfy index lookup (match lookup value, or  fall in lookup range) l Also lock next key value in index l Lock mode: S for lookups, X for insert/delete/update n Ensures that range queries will conflict with inserts/deletes/updates l Regardless of which happens first, as long as both are concurrent Database System Concepts 5th Ed. © Silberschatz, Korth and Sudarshan, 2005  See www.db­book.com for conditions on re­use  Extra Slides ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Isolation n Motivation: Decision support queries that read large amounts of data  have concurrency conflicts with OLTP transactions that update a few  rows l Poor performance results n Solution 1:  Give logical “snapshot” of database state to read only  transactions, read­write transactions use normal locking l Multiversion 2­phase locking l Works well, but how does system know a transaction is read only? n Solution 2: Give snapshot of database state to every transaction,  updates alone use 2­phase locking to guard against concurrent updates l Problem: variety of anomalies such as lost update can result l Partial solution: snapshot isolation level (next slide)  Proposed by Berenson et al, SIGMOD 1995  Variants implemented in many database systems  – E.g. Oracle, PostgreSQL, SQL Server 2005 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Isolation n A transaction T1 executing with Snapshot  Isolation l takes snapshot of committed data at  start l always reads/modifies data in its own  snapshot l updates of concurrent transactions are  not visible to T1  l writes of T1 complete when it commits l First­committer­wins rule:  Commits only if no other concurrent  transaction has already written data  that T1 intends to write. R(Z)  0 R(Y)  1 W(X:=3) Commit­Req Abort W(X:=2) W(Z:=3) Commit Start R(X)  0 R(Y) 1 W(Y := 1) Commit T3T2T1 Concurrent updates not visible Own updates are visible Not first­committer of X Serialization error, T2 is rolled back ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Benefits of SI n Reading is never blocked,  l and also doesn’t block other txns activities n Performance similar to Read Committed n Avoids the usual anomalies l No dirty read l No lost update l No non­repeatable read l Predicate based selects are repeatable (no phantoms) n Problems with SI l SI does not always give serializable executions  Serializable: among two concurrent txns, one sees the effects  of the other  In SI: neither sees the effects of the other l Result: Integrity constraints can be violated ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Isolation n E.g. of problem with SI l T1: x:=y l T2: y:= x l Initially x = 3 and y = 17  Serial execution:  x = ??, y = ??  if both transactions start at the same time, with snapshot  isolation:  x = ?? , y = ?? n Called skew write n Skew also occurs with inserts l E.g:  Find max order number among all orders  Create a new order with order number = previous max + 1 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Isolation Anomalies n SI breaks serializability when txns modify different items, each based  on a previous state of the item the other modified l Not very commin in practice  Eg. the TPC­C benchmark runs correctly under SI  when txns conflict due to modifying different data, there is  usually also a shared item they both modify too (like a total  quantity) so SI will abort one of them l But does occur  Application developers should be careful about write skew n SI can also cause a read­only transaction anomaly, where read­only  transaction may see an inconsistent state even if updaters are  serializable l We omit details ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition SI In Oracle and PostgreSQL n Warning: SI used when isolation level is set to serializable, by Oracle and  PostgreSQL  l PostgreSQL’s implementation of SI described in Section 26.4.1.3 l Oracle implements “first updater wins” rule (variant of “first committer  wins”)  concurrent writer check is done at time of write, not at commit time  Allows transactions to be rolled back earlier l Neither supports true serializable execution n Can sidestep for specific queries by using select .. for update in Oracle  and PostgreSQL l Locks the data which is read, preventing concurrent updates l E.g.  1. select max(orderno) from orders for update  2. read value into local variable maxorder 3. insert into orders (maxorder+1, ) Database System Concepts 5th Ed. © Silberschatz, Korth and Sudarshan, 2005  See www.db­book.com for conditions on re­use  End of Chapter Thanks to Alan Fekete and Sudhir Jorwekar for Snapshot  Isolation examples ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Read n Concurrent updates invisible to snapshot read ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Snapshot Write: First Committer Wins l Variant: “First­updater­wins”  Check for concurrent updates when write occurs  (Oracle uses this plus some extra features)  Differs only in when abort occurs, otherwise equivalent  ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition SI Non­Serializability even for Read­Only  Transactions ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Partial Schedule Under Two­Phase  Locking ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Incomplete Schedule With a Lock Conversion ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Tree­Structured Database Graph ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Serializable Schedule Under the Tree Protocol ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Schedule 3 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Schedule 4 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Schedule 5, A Schedule Produced by Using Validation ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Compatibility Matrix ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Nonserializable Schedule with Degree­Two  Consistency ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition B+­Tree For account File with n = 3. ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Insertion of “Clearview” Into the B+­Tree of Figure  16.21 ©Silberschatz, Korth and Sudarshan16.Database System Concepts ­ 5th Edition Lock­Compatibility Matrix