ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI BẰNG CƠ CHẾ THEN CÀI VÀ BÀI TOÁN SỬ DỤNG BỘ QUẢN LÝ KHÓA CƠ BẢN VÀ NHỮNG ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN

Tổng quan về cơ chế then cài Khi có nhiều giao tác đang được thực thi đồng thời trên những tiến trìnhkhác nhau trong những bộ xử lý khác nhau, một số cơ chế là cần thiết để giữchúng khôn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO MÔN HỌC

HỆ TIN HỌC PHÂN TÁN

Đề tài:

ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI BẰNG CƠ CHẾ THEN CÀI

VÀ BÀI TOÁN SỬ DỤNG BỘ QUẢN LÝ KHÓA CƠ BẢN VÀ

NHỮNG ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN

Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Lê Văn Sơn Học viên thực hiện: Lê Nam Trung Lớp : Khoa học máy tính Quảng Bình Khóa : 24QB (2011- 2013)

Quảng Bình, 11/2012

LỜI MỞ ĐẦU

Mạng máy tính ra đời làm cho thế giới như nhỏ lại, mọi người có thể trao đổi với nhau một khối lượng lớn thông tin trong điều kiện khoảng cách xa hơn với thời gian nhanh hơn Trên thực tế, xu hướng kỹ thuật mới - phân tán các thành phần tạo nên hệ tin học theo hướng tiếp cận nơi sử dụng và sản xuất thông tin trên cơ sở mạng máy tính cho chúng ta cơ hội ngồi trước máy vi tính

có nối mạng (LAN, WAN, Internet, …) thì có được mọi thứ: Chúng ta có thể trao đổi thông tin, quản lý toàn bộ nhân sự của một đơn vị với nhiều chi nhánh trên toàn quốc hoặc ở các quốc gia khác nhau; có thể đăng ký vé máy bay, vé tàu xe, mua hàng tại siêu thị, thanh toán tiền qua hệ thống E-Banking của ngân hàng qua hệ thống máy tính…

Tuy nhiên, để khai thác có hiệu quả hệ thống, vấn đề quan trọng là chiến lược khai thác và sử dụng các tài nguyên dùng chung như thế nào ? Chiến lược khai thác các tài nguyên dùng chung này là chức năng cũng như đối tượng nghiên cứu của các hệ tin học phân tán Trong thực tế, hệ tin học phân tán với những nguyên lý, phương pháp của nó đã và đang được nhiều người quan tâm để ứng dụng một cách hữu ích trong công việc Nhiều nội dung lý thuyết nguyên lý của hệ tin học phân tán còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để và đang là mục tiêu khám phá của các nhà nghiên cứu về công nghệ thông tin.

Trong phạm vi của tiểu luận, với những kiến thức đã được học, tìm hiểu từ sách báo và mạng Internet, tôi xin trình bày hai nội dung:

Phần I: Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài

Phần II: Bài toán sử dụng bộ quản lý khoá cơ bản và những điểm cần cải tiến.

Là nội dung khó, bản thân chưa có thời gian nghiên cứu sâu vì vậy hiểu biết còn nhiều hạn chế Kính mong nhận được sự định hướng của Thầy giáo Lê Văn Sơn và các bạn cùng lớp để tôi có thể tiếp tục nghiên cứu và đạt được kết quả tốt hơn trong thời gian tới.

Xin chân thành cảm ơn !

PHẦN I ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI BẰNG CƠ CHẾ THEN CÀI

I Tổng quan về cơ chế then cài

Khi có nhiều giao tác đang được thực thi đồng thời trên những tiến trìnhkhác nhau (trong những bộ xử lý khác nhau), một số cơ chế là cần thiết để giữchúng không cho xâm nhập vào các tiến trình khác Thuật toán điều khiển đồngthời được sử dụng rộng rãi nhất là then cài Trong trường hợp đơn giản nhất, khimột tiến trình cần đọc hay ghi một tập tin giống như một nhiệm vụ của giao tác,thì trước tiên nó phải khoá (cài then) tập tin đó Then cài có thể được dùng nhưmột bộ quản lý khoá tập trung riêng lẽ, hay với một bộ quản lý khoá cục bộ trêntừng máy để quản lý các tập tin cục bộ Trong cả hai trường hợp, bộ quản lýkhoá bao gồm một danh sách các tập tin bị khoá, và từ chối tất cả mọi cố gắngcài then tập tin mà tập tin đó đã thật sự bị khoá bởi một tiến trình khác Khoáđược sinh ra và được giải thoát một cách tự động bởi hệ thống các giao tác,không phụ thuộc vào hành động của lập trình viên

Sự sắp xếp cơ bản này là hạn chế quá mức và có thể được cải tiến bằngcách phân biệt khoá đọc và khoá ghi Nếu một khoá đọc được cài đặt trên mộttập tin, những khoá đọc khác được chấp nhận Khoá đọc được cài đặt để làmchắc chắn rằng tập tin sẽ không thay đổi, nhưng nó không có lý do nào để ngăncấm những giao tác khác không được đọc những tập tin này Ngược lại, khi mộttập tin bị khoá quyền ghi, không có bất kỳ loại khoá nào khác được chấp nhận.Như vậy, khoá đọc bị chia sẽ, nhưng khoá ghi chỉ là duy nhất

Để đơn giản, giả sử rằng một đơn vị của then cài là một tập tin hoànchỉnh Trong thực tế, nó có thể là một mục nhỏ, giống như một bản ghi riêng lẻhay một trang riêng lẻ, hoặc có thể là một mục lớn, giống như một cơ sở dữ liệuhoàn chỉnh Vấn đề về độ quy mô của mục để khoá được gọi là tính chất củathen cài

Ví dụ: Bằng cách không cần đánh dấu một tiến trình mà tiến trình đó

muốn dùng phần cuối cùng của tập tin chỉ bởi vì có một vài tiến trình khác đang

sử dụng phần đầu Nói theo cách khác, một cơ chế cài then tốt đòi hỏi có nhiềukhoá, là nhiều tốn kém và có nhiều khả năng dẫn đến sự bế tắc

II Cơ chế then cài

Một giao dịch nào đó đang thực hiện phép then cài trên một đối tượngmuốn dành quyền sử dụng đối tượng này theo một vài kiểu truy cập nhất định

Cơ chế then cài gán hay không gán quyền truy cập này căn cứ vào qui tắc tiềnđịnh như loại trừ tương hỗ, luật đọc – hiệu chỉnh thông tin…

Nếu quyền được thừa nhận thì đối tượng bị cài then bởi giao dịch Nếukhông, tiến trình thực hiện giao dịch bị khóa và đối tượng không bị cài then

Cơ chế then cài cho phép một giao dịch có thể giải phóng đối tượng mà

nó đã cài then

1 Loại trừ tương hỗ

Một trong những giải pháp đơn giản để đạt được trật tự hoá gắn bó thể hiện

ở chổ bắt buộc phải sử dụng trật tự hoá tuần tự Để làm việc đó, toàn bộ giao

dịch được đặt trong cặp hàm nguyên thuỷ mo_giaodich và dong_giaodich Đây

là sự đảm bảo cho việc loại trừ tương hỗ giữa các giao dịch

Nếu ta biết trước các đối tượng được xử lý bởi một giao dịch nào đó, thì ta

có thể cài then công việc truy cập đến các đối tượng Điều đó chỉ cho phép thựchiện song song đối với các giao dịch truy cập vào các đối tượng rời rạc

Nếu ta muốn nâng cao hơn nữa khả năng sử dụng song song, thì cần phảithực hiện cài then ở mức độ thấp hơn mức giao dịch

2 Then cài chọn lựa các đối tượng

Các quy tắc truy cập đối tượng được chú ý Đó là tính hợp thức của việctruy cập Nội dung của quy tắc này như sau:

Một giao dịch thay đổi giá trị của đối tượng phải loại trừ tất cả các đối tượng khác muốn truy cập, ngược lại thì việc truy cập được tiến hành theo kiểu tương tranh.

Để đảm bảo điều đó luôn luôn được thực hiện, người ta cho phép tiến hànhcài then một đối tượng trước khi việc sử dụng nó có hiệu lực

Một giao dịch có thể thực hiện ba hàm nguyên thuỷ trên đối tượng e:

STT Tên hàm Thuyết minh

1 v_doc(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc e theo

kiểu chia sẽ

2 v_viet(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc và viết

vào e theo kiểu loại trừ.

3 giai_phong(e) Giải phóng đối tượng e Giả sử trước đó đã được

cài then bởi cùng giao dịch này

Một giao dịch gọi là phát triển nếu:

+ Một phép toán chỉ được thực hiện trên một đối tượng sau khi đối tượng

đó đã được cài then bởi giao dịch theo kiểu tương thích với phép toán

+ Không có giao dịch nào cài then được trên đối tượng mà trước đó đã bịcài then cũng bởi chính giao dịch đó, ngoại trừ theo kiểu loại trừ trong trườnghợp trước đó đã sử dụng kiểu chia sẽ

+ Sau khi chấm dứt một giao dịch, không có đối tượng nào bị cài then

Các then cài được sử dụng để hạn chế một lớp các trật tự hoá có khả năngđược thực hiện

Một trật tự hoá được gọi là hợp thức nếu:

+ Đối tượng được một giao dịch cài then theo kiểu chia sẽ không bị bất cứthen cài nào theo kiểu loại trừ của các giao dịch khác

+ Một đối tượng bị cài then theo kiểu loại trừ thì không bị bất kỳ then càimới nào nữa

Do vậy, mọi cố gắng cài then không phù hợp với các điều kiện tương hỗnêu trên đều phải chờ (bị làm chậm lại) cho đến khi mở then

Chú ý: Một giao dịch được gọi là tốt, nếu nó sử dụng các then cài phù

hợp với đặc điểm của chúng Một trật tự hoá được gọi là hợp thức, nếu các then

3 Giao dịch 2 pha

Xem xét một giao dịch hình thành hợp thức bằng cách kiểm tra hai điều kiện:

+ Toàn bộ đối tượng bị cài then vẫn ở trong tình trạng cài then cho đến cuối giao dịch.

+ Không có then cài nào có thể diễn ra tiếp theo một then cài khác trong cùng một giao dịch.

Điều kiện này thể hiện ở chổ là dãy các phép toán trên các then cài đượcphân tích thành hai pha nối tiếp nhau Một pha mà trong đó các đối tượng bị càithen, còn pha kia chúng được mở then

Toàn bộ trật tự hoá hợp thức của một tập hợp các giao dịch hình thành tốthai pha là gắn bó, có nghĩa là cùng hiệu ứng với trật tự hoá tuần tự

Ngược lại, nếu các giao dịch của một tập hợp không phải là hình thành tốt

và ở hai pha thì có thể xây dựng các trật tự hoá hợp thức của M là không gắn bó.

Để hiểu rõ hơn, ta xem xét các ví dụ sau:

Ví dụ 1: Hãy truy cập vào tập hợp các đối tượng.

Giả sử rằng ta muốn đọc các giá trị của một tập hợp các đối tượng và quyước rằng các giá trị này kiểm tra các ràng buộc toàn vẹn Lúc này, ta cần phảicài then theo kiểu chia sẽ cho mỗi một đối tượng trước khi đọc, mở then diễn ra

ở cuối của giao dịch này Một phép như vậy gọi là đọc gắn bó của tập hợp cácđối tượng

Như thế, giao dịch được thể hiện như sau:

là giao dịch đọc gắn bó của tập hợp {a,b,c}

v_doc(a) v_doc(b) doc(a) doc(b) v_doc(c)

Ví dụ 2: Quản lý các tài khoản trong một ngân hàng.

Mỗi một người mở tài khoản tại ngân hàng sẽ được lưu trữ trong một bảnghi của cơ sở dữ liệu Các trường của bản ghi này bao gồm họ và tên, địa chỉ,điện thoại và một khoá duy nhất (mã số) cho người đó Mã số đóng vai trò contrỏ đến cơ sở dữ liệu khác chứa các lần thu tiền vào và rút tiền ra từ tài khoản.Cuối cùng, chúng ta phải có cơ sở dữ liệu chứa số dư Số dư là số tiền có trongtài khoản ở thời điểm xem xét của từng người gửi tiền Trạng thái của số dưtrong tài khoản được khống chế ở mức xác định, ví dụ như số dư không được ≤

N cho trước Điều đó cũng đồng nghĩa với việc đảm bảo trong tài khoản củangười sủ dụng không bao giờ có giá trị bằng 0 hay giá trị âm

Bây giờ chúng ta hãy nghiên cứu vấn đề quản lý truy cập thông tin tàikhoản cho phép đảm bảo được tính gắn bó

Sau đây là hai kiểu mô tả khác nhau của giao dịch T và một kiểu mô tả có thể của giao dịch U:

Giao dịch T 1 Giao dịch T 2 Giao dịch U

v_viet(A)A:= (1+t)*Av_viet(B)B:= (1+t)*Bgiai_phong(B)giai_phong(A)

Ta kiểm tra rằng tất cả các giao dịch đều là hình thành tốt và T 2 và U đều ở hai pha và T 1 không có hai pha.

Sau đây là hai trật tự hoá hợp thức S1 và S2 xuất phát từ việc thực hiện songsong của T1 và U và T2 và U2.

PHẦN II

SỬ DỤNG BỘ QUẢN LÝ KHÓA CƠ BẢN

VÀ NHỮNG ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN

I Tổng quan

Như đã nói ở phần trên, điều khiển đồng thời giải quyết các tính chất biệtlập và nhất quán của giao dịch Cơ chế điều khiển đồng thời phân tán của một hệquản trị cơ sở dữ liệu phân tán bảo đảm rằng tính nhất quán của cơ sở dữ liệu sẽđược duy trì trong môi trường phân tán nhiều người dùng Nếu các giao dịch đãnhất quán nội tại (nghĩa là không vi phạm bất kỳ ràng buộc nhất quán nào), thếthì để có thể đạt được mục tiêu này, cách đơn giản nhất là thực hiện lần lượttừng giao dịch một Rõ ràng một chọn lựa như thế chỉ đáng chú ý về mặt lýthuyết và không được cài đặt trong bất kỳ một hệ thống thực sự nào bởi vì nólàm giảm thiểu lưu lượng hệ thống Mức độ đồng thời có lẽ là một tham số quantrọng nhất trong các hệ phân tán Do vậy, cơ chế điều khiển đồng thời cố gắngtìm ra một phương án thích hợp, vừa duy trì được tính nhất quán của cơ sở dữliệu, vừa duy trì được mức độ đồng thời cao

Các bộ phận quản lý thực hiện một giao dịch của Hệ quản trị CSDL

Hình 1: Các bộ phận quản lý thực hiện giao dịch

Timestamp: Dấu thời gianLOCK/Release: Khóa/Giải phóngCác bộ phận quản lý thực hiện các giao dịch phân tán của hệ quản trịCSDL phân tán.

Hình 2: Các bộ phận quản lý thực hiện giao dịch phân tán

Trước hết, chúng ta xem lại định nghĩa tính khả tuần tự một cách hình

thức: Một lịch biểu S được gọi là khả tuần tự nếu và chỉ nếu nó tương đương

tương tranh với một lịch biểu tuần tự Tính khả tuần tự được định nghĩa như thếcũng được gọi là khả tuần tự theo tương tranh bởi vì nó được định nghĩa theo sựtương đương tương tranh Từ đó, chúng ta có thể chỉ ra rằng chức năng cơ bảncủa bộ phận điều khiển đồng thời là tạo ra một lịch biểu khả tuần tự để thực hiệncác giao dịch đang chờ

Lịch biểu của một giao dịch là một chuỗi các lệnh được thực hiện trong hệthống theo thứ tự thời gian Một lịch biểu đối với một tập các giao dịch phải baogồm tất cả các lệnh của tất cả các giao dịch này, và phải bảo toàn thứ tự mà cáclệnh xuất hiện trong mỗi giao dịch cá thể theo thứ tự đó Lịch biểu tạo mối liên

hệ ràng buộc giữa các giao dịch với nhau

Ví dụ về lịch biểu khả tuần tự: Có 3 giao dịch T1, T2, T3 (tương ứng với(a), (b), (c)

BEGIN_TRANSACTION

x = 0;

x = x + 3;

END_TRANSACTION (c)

Lịch biểu cho các giao dịch trên:

Schedule 1 x = 0; x = x + 1; x = 0; x = x + 2; x = 0; x = x + 3 Hợp lệSchedule 2 x = 0; x = 0; x = x + 1; x = x + 2; x = 0; x = x + 3; Hợp lệSchedule 3 x = 0; x = 0; x = x + 1; x = 0; x = x + 2; x = x + 3; Bất hợp lệ

II Sử dụng bộ quản lý khóa cơ bản

Việc điều khiển đồng thời bằng khoá chốt là một cơ chế thường dùng đểgiải quyết những vấn đề liên quan đến việc đồng bộ hoá dữ liệu truy cập dùngchung, đảm bảo dữ liệu dùng chung cho các thao tác tương tranh chỉ được truyxuất một lần một giao dịch, mỗi phần tử dữ liệu đều có một khoá chốt kết hợp

với chúng Điều này được thực hiện bằng cách liên kết một khoá chốt với mỗi

đơn vị khoá Khoá này được giao dịch đặt ra trước khi nó truy xuất và được điềuchỉnh lại vào lúc nó hết sử dụng Hiển nhiên là một đơn vị khoá không thể truyxuất được nếu đã bị khoá bởi một giao dịch khác Vì vậy, yêu cầu khoá của mộtgiao dịch chỉ được trao nếu khoá đi kèm hiện không bị một giao dịch khác giữ

Bộ xếp lịch đảm bảo rằng chỉ duy nhất giao tác có thể giữ khoá chốt trongmột thời điểm, và chỉ có một giao tác có thể truy xuất dữ liệu đó tại cùng mộtthời điểm

Khoá chốt được bộ xếp lịch (Schedule manager) dùng để đảm bảo tínhkhả tuần tự.

Trước khi một giao tác có thể truy cập dữ liệu dùng chung, bộ xếp lịch sẽkhảo sát trạng thái khoá chốt của những dữ liệu này

Nếu không có giao tác nào khác đang giữ chúng thì bộ xếp lịch sẽ phátlệnh thông báo khoá dữ liệu này lại và sau đó các giao tác thực hiện các lệnh củamình trên dữ liệu đó

Nếu dữ liệu đang bị khoá bởi giao tác T2, thì giao tác này phải chờ chođến khi nào T2 giải phóng khoá đó

Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc đồng bộ hóa các thao tác tương tranhcủa các giao dịch tương tranh nên có hai loại khóa chốt được kèm với mỗi đơn

vị khóa: Khóa đọc (Read Lock RL), và Khóa Ghi (Write Lock -WL)

+ RLi(x): khoá đọc trên phần tử dữ liệu x của giao tác Ti

+ WLj(x): khoá ghi trên phần tử dữ liệu x của giao tác Tj

Hai khoá pli(x) và qlj(y) đụng độ nếu x=y, i≠j,

Hai khoá đụng độ nhau nếu chúng khoá trên cùng một phần tử dữ liệu,chúng được phát sinh từ hai giao tác khác nhau và một trong hai thao tác là ghi Một giao dịch Ti đang muốn đọc một mục dữ liệu được chứa trong đơn vịkhóa x sẽ nhận được một khóa đọc trên x (ký hiệu là rli(x) và cũng tương tự nhưvậy với thao tác ghi

Tính tương thích của các thực thể khóa được mô tả trong bảng sau:

RL i (x) WL i (x)

WLi(x) Không tương thích Không tương thích

Những quy tắc quản lý và sử dụng khoá:

Qui tắc 1:

Khi nhận được một thao tác pi[x] từ bộ quản lý giao tác (TransactionManager, TM), bộ xếp lịch kiểm tra nếu pli[x] đụng độ với một vài qlj[x] đượcđặt trước đó

+ Nếu đúng, nó sẽ trì hoãn pi[x] và buộc Ti chờ cho đến khi nó có thể đặtđược khoá cần thiết

+ Nếu không đụng độ, bộ xếp lịch (scheduler) sẽ đặt pli[x] và gởi pi[x]đến bộ quản lý dữ liệu (Data Manager, DM)

Quy tắc này nhằm hạn chế hai giao tác truy xuất đồng thời một phần tử dữliệu trong tình trạng đụng độ

Qui tắc 2:

Mỗi khi bộ xếp lịch đặt khoá cho Ti, pli[x], nó không thể giải phóng khoá

đó cho đến khi DM trả lời đã xử lý thao tác tương ứng của khoá, pi[x]

đã khoá, và nếu thể thức khoá đó không tương thích với thể thức của giao dịchđang yêu cầu, thao tác sẽ bị hoãn lại Ngược lại, khoá sẽ được đặt với thể thứcmong muốn và thao tác này được chuyển cho bộ xử lý dữ liệu để truy xuất cơ sở

dữ liệu thực sự Sau đó, bộ quản lý giao dịch được thông tin về các kết quả thựchiện Việc kết thúc giao dịch sẽ giải phóng các khoá của nó và làm khởi hoạtmột giao dịch khác đang đợi truy xuất mục dữ liệu này

Thuật toán khoá chốt cơ bản

{Các định nghĩa chuẩn bị cho các thuật toán được trình bày trong tiểuluận}

Declare-type

Operation: một trong số Begin-Transaction, Read, Write, Abort, hoặc

Commit

TransactionId: một giá trị duy nhất được gán cho mỗi giao dịch

DataVal: một giá trị có kiểu dữ liệu cơ bản (nghĩa là số nguyên, số thực,

…)

SiteId: một đinh danh duy nhất cho vị trí

Dbop: một bộ ba gồm {một phép toán trên cơ sở dữ liệu của ứngdụng} opn: Operation

data: DataItem tid: TransactionId Dpmsg: một bộ ba gồm {một thông báo từ bộ xử lý dữ liệu}

opn: Operation tid: TransactionId result: DataVal Scmsg: một bộ ba gồm {một thông báo từ bộ xếp lịch}

opn: Operation tid: TransactionId result: DataVal Transation ← một bộ hai gồm

tid: TransactionId body: thân giao dịch Message ← một chuỗi ký tự cần được truyền đi