بروتوكولات التحكم بالتزامن

بروتوكولات التحكم بالتزامن هي الأساليب — مثل الإقفال، وترتيب الطوابع الزمنية، والتحقق التفاؤلي، وتعدد الإصدارات — التي تُجدوَل المعاملات المتزامنة بحيث تكون النتيجة مكافئة للتنفيذ التسلسلي.

Definition

بروتوكول التحكم بالتزامن هو مجموعة قواعد تحكم كيفية وصول المعاملات المتزامنة إلى البيانات بحيث يكون كل جدول مسموح به قابلاً للتسلسل (أو يفي بمستوى عزل أضعف مختار)، وبالتالي يحافظ على العزل دون إجبار المعاملات على العمل واحدة تلو الأخرى.

Scope

يغطي هذا الموضوع البروتوكولات التي تفرض التسلسلية (serializability) تحت التزامن: الإقفال على مرحلتين ومتغيره الصارم، مع اكتشاف الجمود ومنعه؛ بروتوكولات ترتيب الطوابع الزمنية؛ التحكم التفاؤلي بالتزامن مع مراحل القراءة-التحقق-الكتابة؛ والتحكم بالتزامن متعدد الإصدارات، بما في ذلك عزل اللقطة (snapshot isolation). ويتناول كيفية ضمان كل بروتوكول لجداول صحيحة والمقايضات بين الحجب، والإجهاض، والإنتاجية. ويستثني تعريف التسلسلية نفسها وآليات الاسترداد التي تكمل التحكم بالتزامن.

Core questions

• كيف يضمن الإقفال على مرحلتين جداول قابلة للتسلسل؟
• كيف يتم اكتشاف الجمود أو منعه أو حله؟
• كيف تختلف بروتوكولات ترتيب الطوابع الزمنية والبروتوكولات التفاؤلية عن الإقفال؟
• كيف يسمح التحكم بالتزامن متعدد الإصدارات للقراء بتجنب حجب الكاتبين؟
• ما هي المقايضات في الإنتاجية بين الأساليب المتشائمة والتفاؤلية؟

Key concepts

• الإقفال على مرحلتين
• الإقفال الصارم والدقيق على مرحلتين (2PL)
• الأقفال المشتركة والحصرية
• اكتشاف الجمود ومنعه
• ترتيب الطوابع الزمنية
• التحكم التفاؤلي بالتزامن
• التحكم بالتزامن متعدد الإصدارات
• عزل اللقطة

Key theories

الإقفال على مرحلتين

إذا حصلت كل معاملة على جميع أقفالها قبل تحرير أي منها (مرحلة نمو تليها مرحلة انكماش)، فإن جميع الجداول الناتجة تكون قابلة للتسلسل بناءً على التعارض؛ ويحتفظ الإقفال الصارم على مرحلتين بأقفال الكتابة حتى الالتزام لضمان قابلية الاسترداد.

التحكم التفاؤلي بالتزامن

تُنفذ المعاملات دون إقفال ويتم التحقق منها عند وقت الالتزام مقابل المعاملات المتزامنة؛ ويتم إجهاض المعاملات المتعارضة وإعادة محاولتها، وهو ما يؤدي أداءً جيدًا عندما يكون التنافس منخفضًا.

التحكم بالتزامن متعدد الإصدارات

من خلال الاحتفاظ بإصدارات متعددة لكل عنصر بيانات، يسمح النظام للقراء بالوصول إلى لقطة متسقة دون حجب عمليات الكتابة؛ وعزل اللقطة هو مخطط متعدد الإصدارات شائع الاستخدام، على الرغم من أنه قد يسمح ببعض الشذوذ غير القابل للتسلسل.

Clinical relevance

تحدد بروتوكولات التحكم بالتزامن كيفية تصرف قاعدة البيانات تحت الحمل: الإقفال قوي ولكنه قد يسبب جمودًا وتنافسًا، وتتيح الأساليب التفاؤلية ومتعددة الإصدارات تزامن قراءة عالٍ، ويشكل اختيار البروتوكول مباشرة إنتاجية وزمن استجابة الأنظمة المعاملاتية عالية الحركة.

History

تم إضفاء الطابع الرسمي على الإقفال على مرحلتين وأقفال المسند (predicate locks) بواسطة إيسواران وزملاؤه في System R عام 1976؛ وقدم كونغ وروبنسون التحكم التفاؤلي بالتزامن عام 1981؛ ووحدت دراسة برنشتاين، وحاجيلاكوس، وجودمان عام 1987 النظرية. أصبحت أساليب تعدد الإصدارات وعزل اللقطة لاحقًا مهيمنة في أنظمة قواعد البيانات المستخدمة على نطاق واسع لسلوكها الملائم للقراءة.

Debates

عزل اللقطة مقابل التسلسلية

يوفر عزل اللقطة تزامنًا عاليًا من خلال السماح للقراء برؤية لقطة متسقة، ولكنه يسمح بشذوذ مثل انحراف الكتابة (write skew) الذي تمنعه التسلسلية الكاملة؛ ويناقش الممارسون متى يكون ضمانه الأضعف مقبولاً ومتى تكون المتغيرات القابلة للتسلسل مطلوبة.

Key figures

• Jim Gray
• Philip Bernstein
• H. T. Kung

Seminal works

• eswaran1976
• kung1981
• bernstein1987

Frequently asked questions

ما الذي يسبب الجمود وكيف يتم التعامل معه؟

يحدث الجمود عندما تحتفظ معاملتان أو أكثر بقفل يحتاجه الآخر، فلا يمكن لأي منهما المضي قدمًا. تتعامل الأنظمة معه إما عن طريق الاكتشاف — بناء رسم بياني للانتظار (waits-for graph)، والعثور على دورة، وإجهاض معاملة ضحية — أو عن طريق مخططات الوقاية التي ترتب الحصول على الأقفال أو تستخدم الطوابع الزمنية لتحديد أي معاملة تنتظر مقابل الإجهاض.

متى يكون التحكم التفاؤلي بالتزامن خيارًا جيدًا؟

تتألق الأساليب التفاؤلية عندما تكون التعارضات نادرة، لأن المعاملات تعمل دون تكلفة إضافية للإقفال وتفشل في التحقق وتعيد المحاولة فقط في بعض الأحيان. تحت التنافس العالي، تهدر العمل على الإجهاض وإعادة المحاولة، لذا عادة ما تُفضل أساليب الإقفال المتشائمة أو متعددة الإصدارات لأعباء العمل كثيفة الكتابة والمعرضة للتعارض.