Intoduzione alle transazioni e alle proprieta ACID delle transazioni

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1 Basi di Dati Complementi Parte 2: Tecnologie per MS Parte 2.4: Introduzione alle transazioni e Intoduzione alle transazioni e alle proprieta ACID delle Carlo Batini 2006 Carlo Batini Transazione Insieme di istruzioni di lettura e scrittura sulla base di dati, eventualmente immerse in un linguaggio programmativo, per cui siano garantite determinate proprieta (vedi tra poco) per la loro corretta esecuzione in ambiente concorrente. Un esempio di transazione Sposta 10 dal conto a al conto b Puo essere implementata con due istruzioni Togli 10 dal conto a Aggiungi 10 al conto Carlo Batini 2006 Carlo Batini Sintassi SQL per specificare transazioni begin transaction: specifica l'inizio della transazione (le operazioni non vengono eseguite sulla base di dati, ma in memoria centrale) commit work: le operazioni specificate a partire dal begin transaction vengono eseguite sulla base di dati con effetto durevole rollback work: si rinuncia all'esecuzione sulla base di dati delle operazioni specificate dopo l'ultimo begin Carlo Batini Sintassi SQL per specificare transazioni - 2 Le due istruzioni commit work e rollback work possono comparire piu volte nel corso del programma, in rami diversi del flusso di controllo Durante l esecuzione della transazione, e necessario che venga incontrata esattamente una istanza di una delle due istruzioni: commit work (commit) chiede di concludere con successo la transazione rollback work (abort): chiede al sistema di ripristinare lo stato precedente alla transazione, di solito a causa di una condizione logica di errore sotto il controllo dell Carlo Batini

2 Una transazione in SQL Sposta 10 dal conto al conto begin transaction; (0) set Saldo = Saldo 10 (1) where NumeroConto = ; if ( /* saldo < 0 */) then rollback work; set Saldo = Saldo + 10 (2) where NumeroConto = ; Proprieta delle transazioni Insieme di operazioni: 1. da considerare indivisibile ("atomico"), 2. che lascia la base dati in uno stato consistente, e 3. corretto anche in presenza di concorrenza, e 4. con effetti Carlo Batini 2006 Carlo Batini Proprieta ACID delle transazioni 1. Atomicità 2.Consistenza 3.Isolamento 4.Durabilità (persistenza) Definiamo ora le quattro proprieta ACID delle Carlo Batini 2006 Carlo Batini Proprieta di Atomicita - 1 La sequenza di operazioni sulla base di dati viene eseguita per intero o per nulla Esempio 1 viene eseguita (1) Il tentativo di eseguire (2) fallisce per qualche guasto A questo punto, la proprieta di atomicita richiede che l effetto di 1 venga annullato Il sistema deve riportare il allo stato precedente l inizio della transazione (0): questo e un rollback imposto dal sistema 1. Proprieta di Atomicita - 2 La sequenza di operazioni sulla base di dati viene eseguita per intero o per nulla Esempio 2: viene eseguita (1) La condizione viene valutata e risulta vera L applicazione chiede esplicitamente un rollback Il sistema deve riportare il allo stato precedente l inizio della transazione (0): questo e un rollback chiesto dall applicazione begin transaction; (0) set Saldo = Saldo 10 (1) where NumeroConto = ; if ( /* saldo < 0 */) then rollback work; set Saldo = Saldo + 10 (2) where NumeroConto = Carlo Batini begin transaction; (0) set Saldo = Saldo 10 (1) where NumeroConto = ; if ( /* saldo < 0 */) then rollback work; set Saldo = Saldo + 10 (2) where NumeroConto = Carlo Batini

3 Terminologia Abbiamo visto che esistono Rollback imposti dal sistema e Rollback richiesti dalla applicazione Le due tipologie vengono anche chiamate con il termine di abort 1. Atomicita - 3 La transazione non puo lasciare il in uno stato intermedio: Un guasto o un errore prima del commit causa un UNDO (disfare) delle operazioni gia eseguite Un guasto o un errore dopo il commit puo richiedere il REDO (rieseguire) delle operazioni eseguite, se il loro effetto sul non e garantito a causa del Carlo Batini 2006 Carlo Batini Proprieta di Consistenza Al termine dell'esecuzione di una transazione, i vincoli di integrità debbono essere soddisfatti "Durante" l'esecuzione ci possono essere violazioni, ma se restano alla fine allora il sistema deve eseguire un rollback come per il caso dell atomicita ; Consistenza per la transazione T: La somma dei saldi dei due conti correnti prima e dopo il trasferimento e uguale Ad es. tra l esecuzione di (1) e (2) lo stato del non e consistente Tuttavia, dopo il commit la somma dei saldi e effettivamente la stessa di quello iniziale Se il sistema determina una violazione di vincoli di integrita in fase di commit, allora la transazione subisce un rollback Quindi non e ammesso lasciare il in uno stato logicamente inconsistente 3. Concorrenza delle transazioni Il throughput di un sistema e il numero di transazioni per secondo (tps) eseguite dal sistema a regime In un sistema che non prevede esecuzione concorrente, il throughput e il valore che scaturisce da una esecuzione sequenziale delle transazioni In un MS, si vuole ottenere un throughput dell ordine di tps (transazioni per secondo) Questo impone un alto grado di concorrenza tra le transazioni in esecuzione Es Se una transazione impiega mediamente 0.1 secondi ad eseguire, ad un throughput di 100 tps corrispondono mediamente 10 transazioni in esecuzione concorrente Esempi tipici: applicazioni bancarie, di prenotazione Carlo Batini 2006 Carlo Batini Concorrenza - esempio Void chooseseat() { /* codice in linguaggio C che verifica la disponibilita di posti su un volo e prenota un posto */ (1) EXEC SQL SELECT occupied INTO :occ FROM flights (2) if (!occ) { EXEC SQL UPDATE Flights SET occupied = TRUE /* notifica posto prenotato */ else /* notifica volo completo */ 3. Concorrenza - 2 Supponiamo che la funzione chooseseat() venga eseguita simultaneamente da due o piu applicazioni (es due agenzie viaggi), che cercano di prenotare lo stesso posto sullo stesso volo E possibile un evoluzione temporale come la seguente: Operazione 1 Operazione 2 Esegue (1), trova posto Esegue (2), alloca il posto Esegue (1), trova posto Esegue (2), alloca il posto A questo punto, abbiamo una doppia prenotazione Il MS transazionale gestisce questo problema garantendo la proprieta di isolamento Carlo Batini 2006 Carlo Batini

4 3. Proprieta di Isolamento delle transazioni La proprieta di isolamento di una transazione garantisce che essa venga eseguita come se non ci fosse concorrenza Scriviamo la funzione precedente come una transazione: Void chooseseat() { Begin transaction (1) EXEC SQL SELECT occupied INTO :occ FROM flights (2) if (!occ) { EXEC SQL UPDATE Flights SET occupied = TRUE /* notifica posto prenotato */ else { /* notifica volo completo */ 4. Proprieta di Durabilita La conclusione positiva di una transazione corrisponde ad un impegno (in inglese commit) a mantenere traccia del risultato in modo definitivo, anche in presenza di guasti Come vedremo, questo ha delle implicazioni sul sistema di gestione dell affidabilita (recovery) del Carlo Batini 2006 Carlo Batini Proprieta ACID Le quattro proprieta fondamentali che devono essere garantite dalle transazioni: Atomicita Consistenza Isolamento Durabilita /Persistenza Tutte insieme vengono chiamate proprieta ACID Sistema transazionale Un sistema che supporta la definizione e l esecuzione di transazioni garantendo le proprieta Carlo Batini 2006 Carlo Batini Relazione tra le proprieta ACID e e i moduli del MS Atomicita e Durability affidabilita degli accessi e delle interrogazioni di Interrogazioni e aggiornamenti delle transazioni delle transazioni Isolamento concorrenza Consistenza dei vincoli di schema, parte del gestore delle transazioni Disattivato durante l esecuzione di una transazione, riattivato subito prima dell esecuzione del commit finale dei metodi d accesso memoria secondaria concorrenza Isolamento Consistenza affidabilità Atomicita Durability Memoria Carlo Batini 2006 Carlo Batini

5 degli accessi e delle interrogazioni delle transazioni di Interrogazioni e aggiornamenti dei metodi d accesso memoria secondaria Memoria secondaria concorrenza Richieste di servizio delle transazioni affidabilità Strategie di recovery Ripresa a caldo Ripresa a freddo Carlo Batini 2006 Carlo Batini Il Il buffer e una zona di memoria non persistente pre-allocata al MS Condivisa tra tutte le transazioni Utilizzata anche dal sistema (eg dal log, vedi in seguito) Gestione Il buffer e gestito con gli stessi criteri di una cache (gia visto) Operazioni primitive di gestione dei blocchi in cache Principio di localita dei dati e strategie di replacement dei blocchi Euristica: 80% delle applicazioni accede al 20% delle pagine Valutazione dell hit ratio come per i SO Il buffer manager gestisce una directory di riferimenti Pagina buffer pagina fisica (file, blocco) Cosa cambia nel caso di MS: occorre garantire Atomicita Durabilita Quindi sono necessarie strategie di recovery in caso di Carlo Batini 2006 Carlo Batini File System Architettura manager Richieste di servizio da scheduler e recovery manager Write,write_seq fix unfix use force Operazioni Elementari w(x) r(x) Scheduler ( concorrenza) Primitive di gestione Write, File System write_seq fixunfix use force Fix: chiede l accesso ad una pagina e provoca il suo eventuale caricamento nel buffer Primitiva di transazione Sotto il controllo dello scheduler Effetto: la pagina diventa attiva e disponibile alla transazione w(x)r(x) Carlo Batini 2006 Carlo Batini

6 Funzionamento di fix Se la pagina richiesta e disponibile (unfixed) e nel buffer Ritorna il riferimento alla pagina Altrimenti, due politiche possibili: Politica steal (ruba), su pagine attive e non attive 1. Selezionaunavittimavalida(cioe non lockata, cioe non assegnata in esclusiva ad altra transazione, vedi in seguito) 2. Trasferisci vittima in memoria di massa (primitiva, tra poco) 3. Carica la pagina richiesta da file system nella pagina di buffer scelta 4. Ritorna il riferimento alla nuova pagina Politica no steal (non ruba), solo su pagine non attive 1. Se vi sono solo pagine attive, la transazione e sospesa 2. Entrain unacoda 3. Quando si libera una pagina, la Carlo Batini Primitive di gestione Write, File System write_seq Unfix: rilascia la pagina Primitiva di transazione Use: accede alla pagina caricata; Primitiva di transazione fix unfix use force w(x)r(x) Schedule Carlo Batini Primitive di gestione Write, File System write_seq fix unfix use force Force: forza il trasferimento di una pagina dal buffer verso memoria persistente Primitiva di transazione. Puo essere usata anche dal buffer manager Sincrona / bloccante Flush: trasferisce una pagina dal buffer verso memoria persistente Primitiva riservata al buffer manager Asincrona,cioe indipendente dalle transazioni attive w(x)r(x) Carlo Batini Politiche di gestione Politiche di selezione delle pagine Steal: il buffer manager puo selezionare come vittima una pagina attiva o non attiva; No-steal: il buffer manager puo selezionare come vittima solo pagine non attive; Politiche di scrittura su File System Force: le pagine di una transazione attiva vengono scritte su File System in modo sincrono al momento del commit; No-force: le pagine di una transazione attiva vengono scritte dal buffer manager in modo asincrono rispetto alla transazione (con una primitiva Carlo Batini Confronto tra politiche No-steal e piu semplice da realizzare Non deve gestire la riallocazione di pagine a transazioni che hanno gia eseguito fix; Steal evita la necessita di un buffer grande per tenere in memoria tutte le pagine aggiornate No-force garantisce maggiore efficienza Il e eseguito secondo le politiche manager, indipendente dalle richieste delle transazioni Politica preferita nelle implementazioni: no Steal / noforce Ottimizzazioni possibili Pre-fetching, cioe pre acquisizione, o pre-ing, cioe pre invio su memoria secondaria. ottimizzazioni utilizzabili quando il comportamento delle transazioni e Carlo Batini 2006 Carlo Batini

7 manager e file system Il MS crea quindi uno strato di astrazione sopra il file system (FS), tramite manager (per garantire efficienza) Recovery manager (per garantire atomicita, persistenza) Nel tempo queste funzionalita stanno migrando verso il sistema operativo Primitive del file system usate dal MS Create e delete di un file Open e close di un file sul file in memoria centrale read(fileid,block,buffer): accesso diretto a un blocco e caricamento nel buffer; read_seq(fileid,f-block,count,f-buffer): accesso sequenziale a un numero prefissato di blocchi di file e caricamento nel buffer Primitive corrispondenti write e Carlo Batini 2006 Carlo Batini