红书推荐系列（六）： Granularity of Locks and Degrees of Consistency in a Shared Data Base

前

  这次我们要看的是关于数据库的并行控制经典之作，虽然是1976年的老文章，但其中的概念在今天仍然流行。Paper分为两个部分，第一部分介绍多粒度锁，讲的是在继承结构下的加锁方法，第二部分介绍关于多层级的isolation。

多粒度加锁

  等级结构的系统（比如文件系统）下加锁时，给较大粒度的结点（如根目录）加锁会降低事务并发度，给较小粒度的结点（如某个文件）加锁会导致系统过于复杂。作者提出了多粒度加锁机制来处理不同情况下的加锁问题。

  锁一般有两种：共享锁（S）和排它锁（X）。当一个结点被一个事务加了排它锁，那么这个结点（及其子结点）就不能被其它事务访问。当一个结点被一个事务加了共享锁，那么这个结点（及其子结点）只能被其它想共享访问这个结点的事务访问。但这两种锁还不足以解决问题，比如有如下的结构。

  假设一个事务已经给J加了S锁，此时另一个事务想要给D加X锁就可以直接加锁，但这显然是有问题的，给D结点加X锁也意味着J结点也应该时排它的。为此需要一种新的锁--意图锁（I），加在共享锁或排外锁的所有祖先结点上，意图锁包含一个tag，暗示子结点加的锁的类型。比如在J结点加共享锁前，需要依次给A、D结点加一个共享意图锁（IS），表示这个结点有子孙结点被加了共享锁，同样，如果一个结点加了排外锁，那么就要所有的祖先结点加一个排外意图锁（IX）。

  以上的锁已经可以完成所有的情况要求，但是为性能考虑，还引入了一种锁--共享排他意图锁（SIX），即子孙结点既有S锁也有X锁的情况。

锁的兼容关系

  锁的兼容关系如下表所示：

	NL	IS	IX	S	SIX	X
NL	YES	YES	YES	YES	YES	YES
IS	YES	YES	YES	YES	YES	NO
IX	YES	YES	YES	NO	NO	NO
S	YES	YES	NO	YES	NO	NO
SIX	YES	YES	NO	NO	NO	NO
X	YES	NO	NO	NO	NO	NO

  其中，NL为non-lock。

加锁步骤

  我们先介绍一个静态的继承结构的加锁过程，然后再介绍动态继承结构的加锁过程。

静态结构加锁

  不管是树形结构，还是有向无环图（DAG），对一个结点加锁的步骤是相似的。S锁的祖先要加IS锁，X锁的祖先要加IX锁，释放锁的时候需要从末端到顶端释放锁。

动态结构加锁

  加锁的结构经常会有删除和插入操作，所以需要提供一种解决的机制。

  简单的说，需要修改的旧结点和需要增加的新结点都要加X锁。对于数据库来说，这种情况最常见于带有索引的表的操作。

  比如有一个银行账户的表，以用户所在地建立索引。如果我们想修改某个用户的账号余额，因为账号余额没有索引，所以可以直接修改（通过给自己加X锁和给祖先结点加IX锁）。如果要更改银行账户的地址，我们需要在索引和记录之间加一层索引块结构（一个索引块内的所有索引值相同），那么就要同时锁住被修改的地址的索引块和修改后的地址索引块，再进行修改。

其它问题

  加锁还涉及到其它的问题：调度、锁转换、死锁等，这里我就不赘述了。

DEGREES OF CONSISTENCY

  Consistency在不同的情境中有不同的定义，比如分布式系统和关系型数据库的consistent概念就不同。我们先明确在数据库中的定义：数据库内数据相互依赖的关系如果都成立，那么这个数据库就是consistent。

  比如说，count_x的值是var中值等于x的数量，如果所有的count_x都满足这个要求，那么这个数据库就是consistent。

  由多个原子操作组成的transaction执行过程中，不可避免的会产生暂时不一致性，借此将一致性分为四个等级。

  作者为事务的隔离规定了四个等级，并且用了三种不同的定义人(╬▔皿▔)╯。三种定义分别从用户的角度、锁协议以及系统运行的角度分别阐述了事务隔离等级。

系统对用户接口定义

1. T不会覆写其它事务未提交的数据。
2. T在最终提交之前不会提交任何写操作。
3. T不会读其它事务未提交的数据。
4. 在T结束前，其它事务不会覆写T读的数据。

  满足1、2、3、4条件的一致性度为3，满足1、2、3条件的一致性度为2，满足1、2条件的一致性度为1，只满足1条件的一致性度为0。

锁协议定义

  锁协议是我觉得比较好的定义，从读和写的角度描述事务的独立等级。四种等级如下：

• 等级0：给脏写的数据加排它锁。
• 等级1：给脏写的数据加长期排它锁。
• 等级2：给脏写的数据加长期排它锁，给读数据加共享锁。
• 等级3：给脏写的数据加长期排它锁，给读数据加长期共享锁。

一致性计划定义

  多个事务同时执行时，系统会把这些事务融合成一个可并发的执行计划。具体的定义有点没看懂a（；´д｀）ゞ

其它

  本篇paper还考虑了事务间依赖、系统恢复等，这些内容没有那么经典，就不再介绍了。

  总之，这篇paper比较早的介绍了事务独立相关的内容，对于数据库早期发展做了重要的贡献。