Basi di Dati Complementi. 2. Tecnologie per DBMS -2.4 Introduzione alle Transazioni e Buffer Manager

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1 Basi di Dati Complementi 2. Tecnologie per DBMS -2.4 Introduzione alle Transazioni e Buffer Manager Andrea Maurino Parte del materiale è stato fornito dal prof. Batini Fonti Libro Architetture e linee di evoluzione 2/ed Capitolo 2.1 Capitolo Libro Sistemi di basi di dati (complementi) Elmasri Navathe Capitolo 1.1 1

2 Definizione di transazione Insieme di istruzioni di lettura e scrittura sulla base di dati Eventualmente inserite in un liguaggio programmativo L insieme delle istruzioni gode di alcune proprietà che garantiscono la corretta esecuzione in un ambiente concorrente e non affidabile Definizione di transazione Transazione: parte di programma caratterizzata da un inizio (begintransaction, start transaction in SQL), una fine (endtransaction, non esplicitata in SQL) e al cui interno deve essere eseguito una e una sola volta uno dei seguenti comandi commit work per terminare correttamente rollback work per abortire la transazione Un sistema transazionale (OLTP) e in grado di definire ed eseguire transazioni per conto di un certo numero di applicazioni concorrenti 2

3 Differenza fra applicazione e transazione begin T1 AZIONI TRANSAZIONE T1 PROGRAMMA APPLICATIVO end T1 begin T2 AZIONI TRANSAZIONE T2 end T2 Una transazione start transaction; set Saldo = Saldo + 10 where NumConto = 12202; set Saldo = Saldo 10 where NumConto = 42177; commit work; 3

4 Una transazione con varie decisioni start transaction; set Saldo = Saldo + 10 where NumConto = 12202; set Saldo = Saldo 10 where NumConto = 42177; select Saldo into A from ContoCorrente where NumConto = 42177; if (A>=0) then commit work else rollback work; Transazioni in JDBC Scelta della modalità delle transazioni: un metodo definito nell'interfaccia Connection: setautocommit(boolean autocommit) con.setautocommit(true) (default) "autocommit": ogni operazione è una transazione con.setautocommit(false) gestione delle transazioni da programma con.commit() con.rollback() non c'èstart transaction 4

5 Sintassi SQL per specificare le transazioni Le istruzioni commit work e rollback work possono comparire più volte all interno del programma Durante l esecuzione della transazione è necessario che esattamente una istanza delle due istruzioni sia eseguita Commit work se la transazione è avvenuta correttamente Rollback (abort) e la transazione non deve essere completata Il sistema deve ripristinare lo STATO precedente Approccio binario NON SONO AMMESSE SITUAZIONI INTERMEDIE Il concetto di transazione Una unità di elaborazione che gode delle proprietà "ACID" Atomicità Consistenza Isolamento Durata (persistenza) 5

6 Atomicità Una transazione è una unità atomica di elaborazione Non può lasciare la base di dati in uno stato intermedio un guasto o un errore prima del commit debbono causare l'annullamento (UNDO) delle operazioni svolte un guasto o errore dopo il commit non deve avere conseguenze; se necessario vanno ripetute (REDO) le operazioni Esito Commit = caso "normale" e più frequente (99%?) Abort (o rollback) richiesto dall'applicazione = suicidio requested dal sistema (violazione dei vincoli, concorrenza, incertezza in caso di fallimento) = omicidio Esempio Data la transazione begin transaction; set Saldo = Saldo + 10 where NumConto = 12202; If (saldo<=0) Then rollback work set Saldo = Saldo 10 where NumConto = 42177; select Saldo into A from ContoCorrente where NumConto = 42177; if (A>=0) then commit work else rollback work; end transaction (0) (1) (2) 6

7 Esempio Viene eseguita l istruzione (1) il tentativo di eseguire (2) fallisce Il sistema DEVE annullare l operazione precedete per preservare la proprietà di atomicità Il DBMS riporta il DB allo stato precedente l inizio della transazione Rollback work imposto dal sistema begin transaction; set Saldo = Saldo + 10 where NumConto = 12202; If (saldo<=0) Then rollback work set Saldo = Saldo 10 where NumConto = 42177; select Saldo into A from ContoCorrente where NumConto = 42177; if (A>=0) then commit work else rollback work; end transaction (0) (1) (2) Esempio Viene eseguita l istruzione (1) La condizione è vera per cui l applicazione chiede il roolback della transazione Il DBMS riporta il DB allo stato precedente l inizio della transazione Rollback work imposto dall applicazione begin transaction; set Saldo = Saldo + 10 where NumConto = 12202; If (saldo<=0) Then rollback work set Saldo = Saldo 10 where NumConto = 42177; select Saldo into A from ContoCorrente where NumConto = 42177; if (A>=0) then commit work else rollback work; end transaction (0) (1) (2) 7

8 Consistenza La transazione rispetta i vincoli di integrità Conseguenza: se lo stato iniziale e' corretto anche lo stato finale e' corretto Durante l esecuzione ci possono essere delle violazioni, ma non devono restare alla fine della transazioni Nel caso rollback work Isolamento/Concorrenza La transazione non risente degli effetti delle altre transazioni concorrenti l'esecuzione concorrente di una collezione di transazioni deve produrre un risultato che si potrebbe ottenere con una esecuzione sequenziale Conseguenza: una transazione non espone i suoi stati intermedi Si evita l' "effetto domino 8

9 Concorrenza - 1 Il throughput di un sistema e il numero di transazioni per secondo (tps) accettate dal sistema a regime In un sistema che non prevede esecuzione concorrente, il throughput e al massimo pari al tempo di esecuzione di una singola transazione Puo essere dell ordine dei secondi per una normale applicazione OLTP In un DBMS, si vuole ottenere un throughput dell ordine di tps 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 100tps corrispondono mediamente 10 transazioni in esecuzione concorrente Esempi tipici: applicazioni bancarie, di prenotazione voli Concorrenza - esempio Void chooseseat() { /* codice C che verifica la disponibilita di posti su un volo e prenota un posto */ (1) EXEC SQL SELECT occupied INTO :occ FROM flights WHERE fltnum = :flight AND fltdate = :date AND fltseat = :seat; (2) if (!occ) { EXEC SQL UPDATE Flights SET occupied = TRUE WHERE fltnum = :flight AND fltdate = :date AND fltseat = :seat; /* notifica posto prenotato */ } else /* notifica volo completo */ } 9

10 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: Appl. 1 Esegue (1), trova posto Esegue (2), alloca il posto Appl. 2 Esegue (1), trova posto Esegue (2), alloca il posto tempo A questo punto, abbiamo una doppia prenotazione (LOST UPDATE) Il DBMS transazionale gestisce questo problema garantendo la proprieta di isolamento Concorrenza -3 Considerando la transazione vista prima Supponiamo che l app1 termini l esecuzione della prenotazione, ma non termina con successo la transazione Un altra applicazione accede alla base di dati delle prenotazioni prima che il DBMS riporti lo stato del DB prima dell esecuzione della app1 Risultato il posto che è nella realtà libero per il sistema è occupato (dirty read) Una transazione deve leggere due volte lo stesso dato. Tra una lettura e l altra una seconda transazione modifica i valori del dato. La prima transazione leggere due dati diversi Letture non ripetibili 10

11 Proprieta di Isolamento delle transazioni Scriviamo la funzione precedente come una transazione: Void chooseseat() { Begin transaction (1) EXEC SQL SELECT occupied INTO :occ FROM flights WHERE fltnum = :flight AND fltdate = :date AND fltseat = :seat; (2) if (!occ) { EXEC SQL UPDATE Flights SET occupied = TRUE WHERE fltnum = :flight AND fltdate = :date AND fltseat = :seat; /* notifica posto prenotato */ } else { /* notifica volo completo */ } commit work; } La proprieta di isolamento di una transazione garantisce che essa e eseguita come se non ci fosse concorrenza Durabilità (Persistenza) Gli effetti di una transazione andata in commit non vanno perduti ("durano per sempre"), anche in presenza di guasti Commit significa impegno Come vedremo questo implica la presenza di un componente nel DBMS che garantisca l affidabilità (recovery manager) 11

12 Transazioni e moduli di DBMS Atomicità e durabilità Gestore dell'affidabilità (Reliability manager) Isolamento: Gestore della concorrenza Consistenza: Gestore dell'integrità a tempo di esecuzione (con il supporto del compilatore del DDL) Gestore degli accessi e delle interrogazioni Gestore delle transazioni Gestore di Interrogazioni e aggiornamenti Gestore delle transazioni Gestore dei metodi d accesso Gestore del buffer Gestore della memoria secondaria Gestore della concorrenza Isolamento Consistenza Gestore della affidabilità Atomicità Persistenza Memoria secondaria 12

13 Buffer management Buffer: area di memoria centrale, gestita dal DBMS (preallocata) e condivisa fra le transazioni organizzato in pagine di dimensioni pari o multiple di quelle dei blocchi di memoria secondaria (1KB-100KB) è importantissimo per via della grande differenza di tempo di accesso fra memoria centrale e memoria secondaria Utilizzata anche dal sistema Log vedi piùavanti Scopo della gestione del buffer Ridurre il numero di accessi alla memoria secondaria In caso di lettura, se la pagina è già presente nel buffer, non è necessario accedere alla memoria secondaria In caso di scrittura, il gestore del buffer può decidere di differire la scrittura fisica (ammesso che ciò sia compatibile con la gestione dell affidabilità vedremo più avanti) La gestione dei buffer e la differenza di costi fra memoria principale e secondaria possono suggerire algoritmi innovativi. Il buffer è gestito con gli stessi criteri di una cache Operazioni primitive di gestion dei blocchi in cache Principio di località dei dati e strategie di sostituzione dei blocchi Regola empirica: 80% delle applicazioni accede al 20% dei dati Valutazione dell hit ratio come per i SO (e le memorie cache dei calcolatori) Per garantire Atomicità e Persistenza sono necessarie strategie di recovery in caso di guasto 13

14 Dati gestiti dal buffer manager Il buffer Un direttorio che per ogni pagina mantiene (ad esempio) il file fisico e il numero del blocco due variabili di stato: un contatore che indica quanti programmi utilizzano la pagina un bit che indica se la pagina è sporca, cioè se è stata modificata Funzioni del buffer manager Intuitivamente: riceve richieste di lettura e scrittura (di pagine) le esegue accedendo alla memoria secondaria solo quando indispensabile e utilizzando invece il buffer quando possibile esegue le primitive fix, unfix, setdirty, force. 14

15 Interfaccia offerta dal buffer manager fix: richiesta di una pagina; richiede una lettura solo se la pagina non è nel buffer (incrementa il contatore associato alla pagina) setdirty: comunica al buffer manager che la pagina è stata modificata unfix: indica che la transazione ha concluso l'utilizzo della pagina (decrementa il contatore associato alla pagina) use: accede alla pagina caricata force: trasferisce in modo sincrono una paginain memoriasecondaria (su richiesta del gestore dell'affidabilità, non del gestore degli accessi) flush: trasferisce in modo sincrono una paginain memoriasecondaria (su decisione del buffer manager) Esecuzione della fix Cerca la pagina nel buffer; se c'è, restituisce l'indirizzo altrimenti, cerca una pagina libera nel buffer (contatore a zero); se la trova, restituisce l'indirizzo altrimenti, due alternative steal : selezione di una "vittima", pagina occupata del buffer; I dati della vittima sono scritti in memoria secondaria; viene letta la pagina di interesse dalla memoria secondaria e si restituisce l'indirizzo no-steal : l'operazione viene posta in attesa 15

16 Commenti Il buffer manager richiede scritture in due contesti diversi: in modosincrono quando è richiesto esplicitamente con una force (ad esempio dopo una commit) in modoasincrono quando lo ritiene opportuno (o necessario) con una flush; in particolare, può decidere di anticipare o posticipare scritture per coordinarle e/o sfruttare la disponibilità dei dispositivi È più efficace del modo sincrono 16