数据库并发控制技术(七)

3.封锁协议
封锁的目的是为了保证能够正确地调度并发操作。为此，在运用X锁和S锁这两种基本封锁，对一定粒度的数据对象加锁时，还需要约定一些规则，例如，应何时申请X锁或S锁、持锁时间、何时释放等。我们称这些规则为封锁协议（locking protocol）。对封锁方式规定不同的规则，就形成了各种不同的封锁协议，它们分别在不同的程度上为并发操作的正确调度提供一定的保证。本节介绍保证数据一致性的三级封锁协议和保证并行调度可串行性的两段锁协议，下一节将介绍避免死锁的封锁协议。

（5）保证数据一致性的封锁协议――三级封锁协议

对并发操作的不正确调度可能会带来四种数据不一致性：丢失或覆盖更新、脏读、不可重复读和幻想读。三级封锁协议分别在不同程度上解决了这一问题。

①1级封锁协议

1级封锁协议的内容是：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。事务结束包括正常结束（commit）和非正常结束（rollback）。

1级封锁协议可以防止丢失或覆盖更新，并保证事务T是可以恢复的。例如，下图使用1级封锁协议解决了定飞机票例子的丢失更新问题。

上图中，事务1在读A进行修改之前先对A加X锁，当事务2再请求对A加X锁时被拒绝，只能等事务1释放A上的锁。事务1修改值A=15写回磁盘，释放A上的X锁后，事务2获得对A的X锁，这时他读到的A已经是事务1更新过的值15，再按此新的A值进行运算，并将结果值A=14回到磁盘。这样就避免了丢失事务1的更新。

在1级封锁协议中，如果仅仅是读数据不对其进行修改，是不需要加锁的，所以它不能保证可重复读和脏读。

②2级封锁协议

2级封锁协议的内容是：1级封锁协议加上事务T在读取数据R之前必须先对其加S锁，读完后即可释放S锁。

2级封锁协议除防止了丢失或覆盖更新，还可进一步防止脏读。例如，下图使用2级封锁协议解决了脏读的问题。

下图中，事务1在对C进行修改之前，先对C加X锁，修改其值后写回磁盘。这时事务2请求C加上S锁，因T1已在C上加了X锁，事务2只能等待事务1释放它。之后事务1因某种原因被撤销，C恢复为原值100，并释放C上的X锁。事务2获得C上的S锁，读C=100。这就避免了事务2脏读数据。

在2级封锁协议中，由于读完数据后即可释放S锁，所以它不能保证可重复读。

③3级封锁协议

3级封锁协议的内容是：1级封锁协议加上事务T在读取数据之前必须先对其加S锁，直到事务结束才释放。

3级封锁协议除防止丢失或覆盖更新和不脏读数据外，还进一步防止了不可重复读和幻想读。例如下图，使用3级封锁协议解决了不可重复读和幻像读问题。

上图中，事务1在读A，B之前，先对A，B加S锁，这样其他事务只能再对A，B加S锁，而不能加X锁，即其他事务只能读A，B，而不能修改它们。所以当事务2为修改B而申请对B的X锁时被拒绝，使其他无法执行修改操作，只能等待事务1释放B上的锁。接着事务1为验算再读A，B，这时读出的B仍是100，求和结果仍为150，即可重复读。

上述三级协议的主要区别在于什么操作需要申请封锁以及何时释放锁（即持锁时间）。三级封锁协议可以总结为下表。

（6）保证并行调度可串行性的封锁协议――两段封锁协议

可串行性是并行调度正确性的唯一准则，两段锁（two-phase locking，简称2PL）协议是为保证并行调度可串行性而提供的封锁协议。
两段封锁协议规定：

①在对任何数据进行读、写操作之前，事务首先要获得对该数据的封锁，而且②在释放一个封锁之后，事务不再获得任何其他封锁。
所谓“两段”锁的含义是，事务分为两个阶段，第一阶段是获得封锁，也称为扩展阶段，第二阶段是释放封锁，也称为收缩阶段。
例如，事务1的封锁序列是：

Slock A... Slock B… Xlock C… Unlock B… Unlock A… Unlock C;

事务2的封锁序列是：

Slock A... Unlock A… Slock B… Xlock C… Unlock C… Unlock B;

则事务1遵守两段封锁协议，而事务2不遵守两段封锁协议。

可以证明，若并行执行的所有事务均遵守两段锁协议，则对这些事务的所有并行调度策略都是可串行化的。因此我们得出如下结论：所有遵守两段锁协议的事务，其并行的结果一定是正确的。

需要说明的是，事务遵守两段锁协议是可串行化调度的充分条件，而不是必要条件。即可串行化的调度中，不一定所有事务都必须符合两段封锁协议。例如，在下图中，（a）和（b）都是可串行化的调度，但（a）遵守两段锁协议，（b）不遵守两段锁协议。