数据库管理与并发控制全解析

### 数据库管理与并发控制全解析 #### 1. 数据库管理概述 数据库管理是一项关键的业务功能，旨在最大化数据库对组织的价值。这通常需要平衡保护数据库与提高其可用性和用户效益这两个相互冲突的目标。在行业中，数据管理和数据库管理这两个术语有时可互换使用，但更多时候，数据管理是面向整个组织的管理职能，关注企业数据隐私和安全问题；而数据库管理则是针对特定数据库及其处理应用的更具技术性的职能。 数据库的规模和范围差异很大，从单用户的个人数据库到大型的组织间数据库（如航空公司预订系统）。所有数据库都需要进行管理，不过任务的复杂程度因数据库而异。个人数据库的管理相对简单，用户只需遵循简单的数据备份程序并保留少量记录。而对于多用户数据库应用，管理变得更加重要和困难，通常需要正式的管理机制。小型应用可能由一两个人兼职负责，大型互联网或内联网数据库则需要专门的数据库管理办公室，其负责人通常被称为数据库管理员（DBA）。DBA 的总体职责是促进数据库的开发和使用，平衡保护数据库和提高用户可用性及效益的目标，负责数据库及其应用的开发、运营和维护。 #### 2. 示例数据库创建 在深入学习数据库管理的具体功能之前，我们先创建一个名为 Heather Sweeney Designs（HSD）的示例数据库。创建该数据库的 SQL 语句采用 Microsoft SQL Server 2016 语法，若要在 Oracle Database 或 MySQL 中实现，需进行相应修改。这些 SQL 语句基于 HSD 数据库设计，列约束遵循相关属性和参照完整性约束规范。填充 HSD 数据库的 SQL 语句同样采用 SQL Server 语法，也需根据不同数据库进行调整。完成后的 HSD 数据库可在 Microsoft SQL Server Management Studio 中查看。 #### 3. 数据库处理环境与管理需求 数据库的规模和处理方式各不相同。数据库处理环境包含多种应用元素，如查询、表单、报表、Web 页面（使用 ASP、JSP、PHP 等）、传统应用程序（如 Visual Basic、C#、Java 等），这些元素可能同时运行，访问数据库并可能调用存储过程。同时，数据库管理系统（DBMS）中的 SQL/Persistent Stored Modules（SQL/PSM），包括用户定义函数、触发器和存储过程，也可能被调用。此外，还需强制执行参照完整性等约束。由于可能有数百甚至数千人同时使用系统，且希望全天候处理数据库，因此需要三项重要的数据库管理功能来确保秩序： - **并发控制**：确保一个用户的操作不会不适当地影响其他用户的操作，保证处理结果符合预期。 - **安全措施**：确保只有授权用户在适当时间采取授权操作。 - **备份和恢复**：在数据库出现故障时进行保护，并在必要时尽快准确地恢复数据库。 #### 4. 并发控制的重要性与挑战 并发控制的目的是确保用户之间的操作不会相互干扰，在某些情况下，保证用户在多用户环境下的处理结果与单用户处理时相同；在其他情况下，允许用户的操作受到其他用户的影响，但这种影响是可预期的。例如，在订单录入系统中，用户应能在有无其他用户的情况下获得相同的订单录入结果；而打印最新库存状态报告的用户可能希望获取其他用户正在处理的数据更改，即使这些更改可能随后被取消。 然而，没有一种并发控制技术能适用于所有情况，它们都涉及权衡。例如，通过锁定整个数据库可以实现严格的并发控制，但在锁定期间其他用户无法进行任何操作，这种方式虽然保护力强，但成本高昂。还有一些措施虽然编程和执行难度较大，但能提高处理吞吐量；另一些措施则能最大化吞吐量，但并发控制水平较低。在设计多用户数据库应用时，开发人员需要在这些权衡中做出选择。 #### 5. 原子事务的必要性 在大多数数据库应用中，用户以事务（也称为逻辑工作单元，LUWs）的形式提交工作。事务是一系列对数据库的操作，要么全部成功执行，要么全部不执行，若部分操作失败，数据库应保持不变。这种事务有时被称为原子事务，因为它是作为一个整体执行的。 例如，在记录新订单时，可能涉及以下操作： 1. 修改客户记录，增加欠款金额。 2. 修改销售人员记录，增加应得佣金。 3. 向数据库中插入新订单记录。 如果最后一步失败（如文件空间不足），而前两步已经完成，就会导致混乱，客户会被收取未收到的订单费用，销售人员会获得未发送给客户的订单佣金。因此，这些操作必须作为一个整体执行。 原子事务需要应用程序发出与开始事务、提交事务和回滚事务等效的命令来标记事务逻辑的边界。不同的 DBMS 产品中，这些命令的具体形式可能不同。在 SQL 中，这组命令被称为 SQL 事务控制语言（TCL）。 #### 6. 并发事务处理与问题 当两个事务同时对数据库进行处理时，称为并发事务。虽然用户可能感觉这些事务是同时处理的，但实际上由于处理数据库的机器的中央处理器（CPU）一次只能执行一条指令，即使是多核 CPU 或多 CPU 系统，CPU 数量也是有限的，无法保证每个事务都有一个 CPU 处理。通常，事务是交错执行的，操作系统会在任务之间切换 CPU 服务，使得每个事务的一部分在给定时间间隔内执行。这种切换速度很快，用户可能会误以为两个事务是同时完成的。 例如，用户 A 读取并修改 Item 100 的记录，用户 B 读取并修改 Item 200 的记录，CPU 会在两