申論題

兩階段鎖定 (Two-Phase Locking)

定義： 兩階段鎖定（Two-Phase Locking, 2PL）是一種確保資料庫交易符合隔離性和一致性的並發控制機制。該機制將交易的鎖定過程分為兩個階段：增長階段（Growing Phase）和收縮階段（Shrinking Phase）。

階段描述：

1. 增長階段 (Growing Phase)：

   • 在這個階段，交易可以獲取鎖（如讀鎖和寫鎖），但不能釋放任何鎖。
   • 交易在需要訪問資料時，不斷請求並獲取相應的鎖。

2. 收縮階段 (Shrinking Phase)：

   • 一旦交易釋放了第一個鎖，它進入收縮階段。在這個階段，交易只能釋放鎖，不能再獲取任何新的鎖。
   • 交易在完成所有資料操作後，開始逐步釋放它持有的所有鎖。

主要目的

兩階段鎖定的主要目的是確保交易的隔離性，從而避免因為並發操作而導致的數據不一致性和衝突。具體目標包括：

1. 避免髒讀 (Dirty Read)：

   • 保證一個交易讀取的數據是由已經提交的其他交易生成的，而不是讀取到尚未提交的修改。

2. 避免不可重複讀 (Non-Repeatable Read)：

   • 保證在同一交易內多次讀取同一資料，該資料值在此期間不會發生變化。

3. 避免幻影讀 (Phantom Read)：

   • 保證在同一交易內多次查詢數據庫時，插入或刪除的行數不會改變，即查詢結果集不會發生變化。

如何實現兩階段鎖定

在實現兩階段鎖定時，需要遵循以下步驟：

1. 增長階段：

   • 當交易需要訪問某資源時，請求相應的鎖。這個過程可以持續到交易訪問完所有需要的資源為止。
   • 鎖請求成功後，交易可以進行讀取或修改操作。

2. 鎖點（Lock Point）：

   • 交易在獲取最後一個鎖後，進入鎖點。鎖點是交易開始釋放鎖的時刻，也是交易進入收縮階段的標誌。

3. 收縮階段：

   • 當交易不再需要訪問任何新的資源時，開始逐步釋放已獲取的鎖。
   • 交易在釋放所有鎖後完成。

範例

假設有兩個交易 T1 和 T2，它們訪問相同的資料項 A 和 B：

• 交易 T1：

  1. 獲取 A 的寫鎖。
  2. 獲取 B 的讀鎖。
  3. 操作 A 和 B。
  4. 釋放 B 的讀鎖。
  5. 釋放 A 的寫鎖。

• 交易 T2：

  1. 嘗試獲取 A 的讀鎖（必須等待 T1 釋放 A 的寫鎖）。
  2. 獲取 A 的讀鎖。
  3. 獲取 B 的寫鎖。
  4. 操作 A 和 B。
  5. 釋放 B 的寫鎖。
  6. 釋放 A 的讀鎖。

這樣，兩階段鎖定確保了 T1 和 T2 在操作過程中的隔離性，避免數據不一致問題。