数据库事务管理、并发控制与性能调优

### 数据库事务管理、并发控制与性能调优 #### 一、数据库事务基础 事务是一系列访问数据库的操作序列，代表一个现实世界的事件，必须是一个逻辑工作单元，要么全部执行，要么全部不执行。事务能将数据库从一个一致状态转换到另一个一致状态，一致状态即满足所有数据完整性约束的状态。 事务具有四个主要特性： 1. **原子性**：事务的所有部分都要执行，否则事务将被中止。 2. **一致性**：保持数据库的一致状态。 3. **隔离性**：一个事务使用的数据在该事务完成前，其他事务不能访问。 4. **持久性**：事务提交后，其所做的更改不能回滚。 此外，事务调度具有可串行化特性，即并发执行事务的结果与串行执行的结果相同。 SQL 通过 `COMMIT`（将更改保存到磁盘）和 `ROLLBACK`（恢复数据库的上一个状态）两个语句支持事务。SQL 事务由多个 SQL 语句或数据库请求组成，每个数据库请求会引发多个 I/O 数据库操作。 事务日志记录所有修改数据库的事务，其存储的信息用于恢复（回滚）操作。 #### 二、并发控制 并发控制用于协调事务的并发执行，但并发执行可能导致三个主要问题： 1. **丢失更新**：一个事务的更新被另一个事务覆盖。 2. **未提交数据**：一个事务读取了另一个未提交事务的数据。 3. **不一致检索**：一个事务在多次读取数据时，数据状态不一致。 调度器负责确定并发事务操作的执行顺序，这对多用户数据库系统的完整性至关重要。调度器使用锁定、时间戳和乐观方法来确保事务的可串行化。 锁保证事务对数据项的唯一访问，防止多个事务同时使用同一数据项。锁有不同级别，包括数据库级、表级、页级、行级和字段级。 数据库系统中可使用两种类型的锁： 1. **二进制锁**：只有锁定（1）和解锁（0）两种状态。 2. **共享/排他锁**：共享锁用于事务读取数据且无其他事务更新该数据时，一个数据项可以有多个共享锁；排他锁用于事务更新数据且该数据无其他锁时。 通过两阶段锁定可保证调度的可串行化，两阶段锁定包括增长阶段（事务获取所需的所有锁，不释放任何数据）和收缩阶段（事务释放所有锁，不获取新锁）。 当两个或多个事务无限期等待对方释放锁时，就会发生死锁，也称为死锁拥抱。死锁控制技术有三种：预防、检测和避免。 时间戳方法的并发控制为每个事务分配唯一的时间戳，并按时间戳顺序调度冲突事务的执行。有两种方案决定哪个事务回滚，哪个继续执行：等待/死亡方案和伤害/等待方案。 乐观方法的并发控制假设大多数数据库事务不会冲突，事务使用数据的私有临时副本并发执行，提交时将私有副本更新到数据库。 #### 三、数据库恢复 数据库恢复将数据库从给定状态恢复到之前的一致状态，当发生关键事件（如硬件错误或应用程序错误）时触发。 #### 四、数据库性能调优概念 数据库系统的主要功能之一是及时为最终用户提供答案。最终用户通过查询与数据库管理系统（DBMS）交互，过程如下： 1. 最终用户（客户端）应用程序生成查询。 2. 查询发送到 DBMS（服务器端）。 3. DBMS（服务器端）执行查询。 4. DBMS 将结果数据集发送回最终用户（客户端）应用程序。 良好的数据库性能难以评估，通常更容易识别性能不佳的情况。数据库性能调优旨在减少数据库系统的响应时间，确保最终用户查询在最短时间内得到处理。 查询返回结果集所需的时间取决于多个因素，典型 DBMS 的性能受三个主要因素限制：CPU 处理能力、可用主内存（RAM）和输入/输出（硬盘和网络）吞吐量。以下是实现更好查询性能的一般准则： |系统资源|客户端|服务器| | ---- | ---- | ---- | |硬件 - CPU|最快的双核 CPU 或更高|最快的多核处理器（如四核技术）| |硬件 - RAM|最大可能的容量|最大可能的容量| |硬件 - 硬盘|快速的 SATA/EIDE 硬盘，有足够的可用空间|多个高速、大容量硬盘（SCSI/SATA/Firewire/Fibre Channel）组成的 RAID 配置| |硬件 - 网络|高速连接|高速连接| |软件 - 操作系统|针对最佳客户端应用程序性能进行微调|针对最佳服务器应用程序性能进行微调| |软件 - 网络|针对最佳吞吐量进行微调|针对最佳吞吐量进行微调| |软件 - 应用程序|优化客户端应用程序中的 SQL|优化 DBMS 服务器以实现最佳性能| 数据库性能调优活动可分为客户端和服务器端： 1. **客户端**：目标是生成能在最短时间内返回正确答案的 SQL 查询，同时使