软考架构——数据库的控制功能

数据库的控制功能主要指对数据库中数据的管理和维护，确保数据的安全性、完整性和一致性。数据库控制功能主要包括：并发控制、性能优化、完整性约束、以及备份与恢复。

一、并发控制

(一)事务

DBMS 运行的基本工作单位是事务，事务是用户定义的一个数据库读写操作序列，这些操作序列要么全做，要么全不做，是一个不可分割的工作单位。

事务具有以下四个基本特性，通常被称为ACID 特性：

• 原子性（Atomicity）：事务中的所有操作是一个不可分割的整体，要么全部完成，要么全部不完成，不能部分地完成。一旦某一步执行失败，就会全部回滚到初始状态。
• 一致性（Consistency）：事务必须使数据库从一个一致性状态转换到另一个一致性状态。这意味着事务执行过程中和执行结束后，数据库中的数据必须满足所有预定义的规则和约束。
• 隔离性（Isolation）：一个事务内部的操作及使用的数据对并发的其他事务是隔离的，并发执行的事务之间不会相互影响。多个事务并发运行，但看上去像串行调度执行一样。
• 持久性（Durability）：一旦事务被提交，它对数据库的修改就是永久性的，即使系统发生故障也不会丢失。

一致性是事务 ACID 四大特性中最重要的属性，而原子性、隔离性和持久性，都是作为保障一致性的手段。

(二)数据不一致

如果数据不一致，那么在并发“读 - 写”或并发“写 - 写”的场景，容易出现以下问题：

1. 修改丢失

T1 和 T2 两个事务都对一个数据进行修改，T1 先修改，T2 随后修改，T2 的修改覆盖了 T1 的修改。

T1 对 A 的修改被 T2 覆盖，T1 的修改不起作用。

2. 脏读

T1 修改一个数据，T2 随后读取这个数据。如果 T1 撤销了这次修改，那么 T2 读取的数据是脏数据。

T1 对 A 进行修改，但之后回滚撤销，T2 读取的数据与数据库中不一致，是错误的数据（脏数据）。

3. 不可重复读

T2 读取一个数据，T1 对该数据做了修改。如果 T2 再次读取这个数据，此时读取的结果和第一次读取的结果不同。

T1 读取数据并进行计算，T2 更新了数据，T1 再次读取数据，然而计算结果不一致。

4. 幻读

T1 读取某个范围的数据，T2 在这个范围内插入或删除数据，T1 再次读取这个范围的数据，此时读取的结果和和第一次读取的结果不同。

(三) 隔离级别

为了解决数据不一致的问题，数据库中的事务隔离分为如下四种：

1. 读未提交：最低的隔离级别，允许读取尚未提交的数据变更，可能会导致脏读。
2. 读已提交：允许读取并发事务已经提交的数据，可以阻止脏读，但是幻读或不可重复读仍有可能发生。这是大多数数据库默认的隔离级别。
3. 可重复读：对同一字段的多次读取结果都是一致的，除非数据是被本身事务自己所修改，可以防止脏读和不可重复读，但是幻读仍有可能发生。这是 MySQL 数据库默认的隔离级别。
4. 串行化：最高的隔离级别，完全服从 ACID 的隔离级别。所有的事务依次逐个执行。

隔离级别从上到下越来越严格，并发造成的数据不一致可能性越小，但需要付出的性能代价越大。

(四) 锁

数据库的隔离级别是通过锁机制来实现的。从不同的角度对锁进行分类：

• 根据 性能
  • 乐观锁：通过版本对比来实现并发控制，假设事务之间不会发生冲突，直到提交操作时才会检查是否有冲突。
    • 适用于并发冲突较少的场景。
  • 悲观锁：假设事务之间会发生冲突，因此在访问数据之前就会加锁，保证同一时间只有一个事务能够访问数据。
    • 适用于并发冲突较多的场景。
• 根据 对数据库的操作粒度
  • 表锁：锁定整个表，在事务操作时会锁定整张表，影响表中所有数据。
    • 每次操作锁住一张表。加锁的开销小，加锁快，不会出现死锁；锁定粒度大，容易发生锁冲突，并发度最低。适用于整张表数据迁移的场景。
  • 行锁：只锁定某行数据，使其他事务无法修改该行数据，但不影响表中其他数据的访问。
    • 每次操作只锁住表中一行数据。加锁的开销大，加锁慢，可能会出现死锁；锁定粒度最小，发生锁冲突的概率最低，并发度最高。
• 根据 对数据库的操作类型
  • 读锁 （ 共享锁，S 锁 Shared）：在事务读取数据时加锁，其他事务可以读取同一数据，但不能进行写操作。
    • 事务 T1 对数据库添加 S 锁，事务 T1 可以进行读写，事务 T2 只能读不能写。
  • 写锁 （ 排它锁，X 锁 eXclusive）：在事务对数据进行写入或修改时加锁，阻止其他事务对该数据的读写操作。
    • 事务 T1 对数据库添加 X 锁，事务 T1 可以进行读写，事务 T2 无法读写。