由兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件引發(fā)的數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制的思考

俞席忠

摘要： 該文分析兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓事件，說明數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制對系統(tǒng)的運(yùn)行效率起著至關(guān)重要的作用，對樂觀鎖和悲觀鎖進(jìn)行分析，說明高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制的選擇。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)庫； 并發(fā)控制； 樂觀鎖 ； 悲觀鎖

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044（2012）30-7172-03

第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件：小米手機(jī)網(wǎng)站第二輪開放購買時(shí)，網(wǎng)站癱瘓。

2012年1月4日消息 1月4日中午1點(diǎn)，小米手機(jī)第二輪開放購買。在開放購買后一個(gè)小時(shí)內(nèi)，小米官方網(wǎng)站由于同時(shí)段訪問人數(shù)過多出現(xiàn)宕機(jī)。對此，小米科技CEO雷軍對于服務(wù)器無法負(fù)擔(dān)訪問人數(shù)過多，出現(xiàn)官網(wǎng)宕機(jī)事件表示歉意。雷軍表示，“這次開放購買，服務(wù)器沒有抗住，實(shí)在對不起各位！懇請各位諒解！”。

另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件：由于訪問量過大，鐵路售票網(wǎng)癱瘓.

2012年1月1日起，鐵路部門開始調(diào)整售票時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)售票、電話訂票、代售點(diǎn)、車站窗口等進(jìn)行錯(cuò)時(shí)放售車票。但由于訪問量過大，不少旅客在12306網(wǎng)購車票時(shí)，頻頻遭遇“系統(tǒng)忙”而無法訪問。相比之下，電話訂票比網(wǎng)購車票要更順利些。記者親歷：折騰一個(gè)多小時(shí)訂單沒提交上。目前，網(wǎng)上購買火車票唯一官方網(wǎng)站就是鐵道部下屬的中國鐵路客戶服務(wù)中心網(wǎng)（www.12306.cn）。

什么原因?qū)е戮W(wǎng)站癱瘓，是前端接口、是帶寬、是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，還是數(shù)據(jù)庫并發(fā)出了問題。2012年初的這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件，引發(fā)了廣大技術(shù)人員和專家的大討論。本文將從數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制這個(gè)層面來研究網(wǎng)絡(luò)效率與并發(fā)控制間的關(guān)系及它們間的優(yōu)化處理。

1 網(wǎng)站癱瘓?jiān)蚍治?/p>

小米網(wǎng)站平時(shí)的訪問量不大，由于手機(jī)采用網(wǎng)上直銷模式，使瞬時(shí)每分鐘的并發(fā)量沖高導(dǎo)致服務(wù)DOWN機(jī)，小米手機(jī)運(yùn)營經(jīng)理鐘雨菲貼出小米網(wǎng)站的數(shù)據(jù)解釋：“給大家貼一個(gè)cnzz后臺數(shù)據(jù)：15分鐘內(nèi)，小米官網(wǎng)，不含論壇，同時(shí)在線24萬多人。做過網(wǎng)站運(yùn)營的朋友都知道，這么多人同時(shí)在線對服務(wù)器的壓力還是很大的”。

整體來說負(fù)載均衡的問題不大，問題根本不在前端服務(wù)器，前端都有良好的綬沖機(jī)制，加上只有讀數(shù)據(jù)，沒有寫的操作。真正的原因集中在后端數(shù)據(jù)庫并發(fā)跟不上來，因?yàn)橐粋€(gè)用戶要定購一臺手機(jī)，首先要讀（作一次selecet操作）庫存表中剩余多少臺這個(gè)字段，判斷自已能否下單，若還有剩余，則向定購表中作一次插入操作（instert），最后向庫存表更新剩余數(shù)（作一次update操作），可見數(shù)據(jù)庫并發(fā)量過大，加上沒作好并發(fā)控制的優(yōu)化，是導(dǎo)致網(wǎng)站癱瘓的主要原因。主要是準(zhǔn)備不足，前期沒有作數(shù)據(jù)庫并發(fā)壓力測試一下，沒有根據(jù)估計(jì)在線數(shù)設(shè)置一下限流，在相同的硬件條件下，通過數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制優(yōu)化和流量控制等軟件的手段可以綬解并發(fā)數(shù)過多造成的網(wǎng)站響應(yīng)慢的難題。小米公司在這個(gè)事件之后，對后臺數(shù)據(jù)庫的進(jìn)行了徹底的優(yōu)化并作了一些限流的措施，在2012年4月6日，在6分鐘時(shí)間成功完成了10萬臺定購量。

2012年前7天，鐵道部客戶服務(wù)官方網(wǎng)站12306網(wǎng)日均點(diǎn)擊次數(shù)已經(jīng)超過了10億次。眾多專業(yè)人士認(rèn)為，12306網(wǎng)站在線售票功能，其實(shí)就是個(gè)海量事務(wù)高速處理系統(tǒng)，這樣一個(gè)系統(tǒng)，并不能簡單地使用通用方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，但12306網(wǎng)站很可能是采用了Oracle通用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搭建，使用通用系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在面對春運(yùn)前夕的瞬間海量網(wǎng)絡(luò)購票需求時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)就變得極為脆弱。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，問題不出在硬件上，而出在軟件設(shè)計(jì)上。鐵道部方面試圖通過服務(wù)器的堆積，來解決軟件設(shè)計(jì)的不足，但顯然再強(qiáng)大的硬件也很難滿足一個(gè)不完善的軟件系統(tǒng)的極端處理請求。據(jù)悉，12306網(wǎng)目前正在進(jìn)行后臺調(diào)試，新一代客票系統(tǒng)將在既有客票系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，提供全方位的信息咨詢、豐富的售票渠道、多元化的支付方式、快捷的進(jìn)出站，為鐵路企業(yè)提供精細(xì)化的售票管理、智能化的售票組織、科學(xué)化的運(yùn)力調(diào)配，并引入云計(jì)算技術(shù)，構(gòu)建支撐超大規(guī)模并發(fā)交易。是否能真正解決，這要到2013年春運(yùn)才看得出來，讓我們試目以待吧。

從以上分析可以看出，數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制對系統(tǒng)的運(yùn)行效率起著至關(guān)重要的地位。

2 數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制基本原理

數(shù)據(jù)庫的并發(fā)控制能力是指在處理多個(gè)用戶在同一時(shí)間內(nèi)對相同數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問的能力。一般的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫都具備這種能力，日常應(yīng)用系統(tǒng)中也隨處可見，例如火車的售票系統(tǒng)、銀行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)庫并發(fā)處理時(shí)，常出現(xiàn)的問題有：

1）更新丟失：當(dāng)多個(gè)事務(wù)同一條記錄進(jìn)新更新時(shí)，由于每個(gè)事務(wù)間沒有通訊，事務(wù)間相對獨(dú)立，就會(huì)產(chǎn)生更新丟失現(xiàn)象，例如A事務(wù)更新了一條記錄的某個(gè)字段的值，接著B事務(wù)更新了此字段的值，此時(shí)A事務(wù)更新的值丟失。

2）臟讀：一個(gè)事務(wù)正在修改記錄數(shù)據(jù)，此時(shí)尚未提交，另一個(gè)事務(wù)讀取了這些未提交的修改的記錄數(shù)據(jù)，形成臟讀。這里所指的修改記錄，除了更新（Update）操作，還包括插入（Insert）和刪除（Delete）記錄操作。臟讀的結(jié)果是：如果后面一個(gè)事務(wù)做回滾操作時(shí)，那么后一事務(wù)所做的修改內(nèi)容，全部都會(huì)被撤銷。這樣前面一個(gè)事務(wù)讀到的數(shù)據(jù)，就是臟數(shù)據(jù)。

下面舉一個(gè)實(shí)例：在賓館房間預(yù)訂系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)有一個(gè)預(yù)訂表，向表中插入一條記錄時(shí)，表示預(yù)訂出了一個(gè)房間。

事務(wù)A：向預(yù)訂表中插入一條記錄，預(yù)訂第20號房間。

事務(wù)B：執(zhí)行查詢未預(yù)定的房間命令，事務(wù)A已預(yù)訂20號房間。所以20號房不會(huì)在空房列表中。

事務(wù)A：使用信用卡支付預(yù)訂金，由于網(wǎng)絡(luò)或其它原因，支付失敗，導(dǎo)致事務(wù)回滾。插入到預(yù)訂表中的預(yù)訂記錄被刪除。事實(shí)上20號房間是空房。此時(shí)，事務(wù)B所得到空房列表，是不準(zhǔn)確的。

3）不可重復(fù)讀：在同一個(gè)事務(wù)中，重復(fù)讀取數(shù)據(jù)時(shí)多次查詢（select）操作時(shí)，所讀取的數(shù)據(jù)，和前次讀取的數(shù)據(jù)不一致，是不可重復(fù)讀。例如新生報(bào)名系統(tǒng)，在編班時(shí)，新班人數(shù)是變化的數(shù)據(jù)，執(zhí)行同一查詢事務(wù)沒有變化，得到的新班人數(shù)是不一樣的。由于操作對象發(fā)生變化，而導(dǎo)致同一事務(wù)執(zhí)行結(jié)果不一致，稱為不可重復(fù)讀。

4）幻讀：事務(wù)A查詢指定的條件的記錄，之后別一事務(wù)B插入一條新記錄，這條新記錄滿足事務(wù)A使用的查詢條件。事務(wù)A再次使用相同的查詢讀取記錄，此時(shí)可以查詢到事務(wù)A剛插入的記錄。這條記錄被稱為幻象，事務(wù)A查詢操作，稱之為幻讀，因?qū)κ聞?wù)A來說，這條的新出現(xiàn)的記錄是件奇怪的事，象是幻覺一樣。

舉個(gè)例子來說明，在火車的售票系統(tǒng)中，有這樣一個(gè)過程。

售票點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)從源數(shù)據(jù)庫讀出某車次的車票剩余張數(shù)為n（=100）。

B售票點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)從源數(shù)據(jù)庫讀出該車次的車票剩余張數(shù)也為n（=100）。

A售票點(diǎn)賣出一張?jiān)撥嚧蔚能嚻?，?（99）寫回源數(shù)據(jù)庫。

B售票點(diǎn)也賣出一張?jiān)撥嚧蔚能嚻保瑢?（99）寫回源數(shù)據(jù)庫。

這樣就存在并發(fā)控制的問題，賣出了兩張票，而數(shù)據(jù)庫里面只有1條數(shù)據(jù)減少。這樣，下次讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，源數(shù)據(jù)就不準(zhǔn)確了，從而會(huì)帶來數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。如果按照上面的操作順序執(zhí)行，A對源數(shù)據(jù)庫的修改就被丟失。并發(fā)控制帶來數(shù)據(jù)的不一致問題，被稱為“數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制過程沖突”，在實(shí)際的測試過程中，我們必須對這樣的沖突進(jìn)行測試設(shè)計(jì)。我們主要是通過邏輯判定來設(shè)計(jì)測試用例。

剛才的例子就是一個(gè)典型。當(dāng)事務(wù)A和B對同一個(gè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行修改，B提交的結(jié)果破壞了A提交的結(jié)果，導(dǎo)致A對數(shù)據(jù)庫的修改失效。

不可重復(fù)讀數(shù)據(jù)是指事務(wù)A在讀取數(shù)據(jù)后，事務(wù)B對其進(jìn)行了修改并執(zhí)行了更新操作，當(dāng)事務(wù)A無法再現(xiàn)前一次讀取的結(jié)果。舉個(gè)例子來說明：

事務(wù)A從數(shù)據(jù)庫表中讀出整數(shù)x=10，Y=20值進(jìn)行求和運(yùn)算z=x+Y=30。

事務(wù)B從相同的數(shù)據(jù)庫中讀出x值x=10，對x乘以5后寫入原x值（x=X*5=50），提交事務(wù)B。

此時(shí)，事務(wù)A處理的結(jié)果是：z=x+Y=10-50<0，事務(wù)B對數(shù)據(jù)的操作已經(jīng)影響了原來的結(jié)果。當(dāng)多個(gè)事務(wù)在數(shù)據(jù)庫中并發(fā)執(zhí)行時(shí)，數(shù)據(jù)的一致性可能受到破壞。系統(tǒng)有必要控制各事務(wù)之間的相互作用，這是通過并發(fā)控制機(jī)制的多種機(jī)制中的一種來實(shí)現(xiàn)的。

避免事務(wù)“餓死”，授權(quán)加鎖的條件：不存在在數(shù)據(jù)項(xiàng)Q上持有與M型鎖沖突的鎖的其他事務(wù)；不存在等待對數(shù)據(jù)項(xiàng)Q加鎖且先于Ti申請加鎖的事務(wù)。

常用的機(jī)制是各種封鎖協(xié)議，時(shí)間戳排序，有效性檢查，多版本機(jī)制。

數(shù)據(jù)封鎖是需要時(shí)間開銷的，對于訪問量巨大的鐵路客票系統(tǒng)和在線搶購等并發(fā)性要求極高的場合下，即可保證數(shù)據(jù)正確，又要得到最佳的并發(fā)效率，是值得研究的問題。

3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫在并發(fā)控制中的選擇

對于互連網(wǎng)，數(shù)據(jù)庫屬于共享資源的一個(gè)重要組成部分，眾多使用者可以同時(shí)使用數(shù)據(jù)庫提供的各種數(shù)據(jù)服務(wù)。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，早期的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，要求用戶程序進(jìn)行排隊(duì)，即每一時(shí)刻只允許一個(gè)用戶程序?qū)?shù)據(jù)庫做存取操作，其他用戶程序等待上一用戶程序完成操作后，才能對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存取。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的輸出能力實(shí)際上是較強(qiáng)大的，面對一個(gè)用戶的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)庫絕大多數(shù)的時(shí)間是處于閑置狀態(tài)，別一方面，眾多用戶的數(shù)據(jù)請求已得到不到響應(yīng)，要解決這一矛盾，現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須提供并發(fā)控制機(jī)制。并發(fā)控制機(jī)制的好壞是將關(guān)系到大型網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)吞吐能力，直接影響到網(wǎng)站的用戶體驗(yàn)。

目前大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的并發(fā)控制，主要是通過鎖定的方式。不同的加鎖方式用于不同的應(yīng)用場合。根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系，我們需要保證數(shù)據(jù)訪問的排他性。通過一些并發(fā)機(jī)制保證數(shù)據(jù)在某個(gè)特定操作過程中不會(huì)被其它用戶程序所修改，這就是所謂的“加鎖”，目標(biāo)數(shù)據(jù)鎖定時(shí)，使其無法被其他用戶程序修改。 目前常用兩種加鎖機(jī)制為：悲觀鎖（Pessimistic Locking）和樂觀鎖（Optimistic Locking）。

悲觀鎖認(rèn)為你正在更新的記錄，會(huì)被其它用戶讀取或更改的概率很高，因此當(dāng)你的進(jìn)程需要更改記錄數(shù)據(jù)時(shí)，先進(jìn)行鎖定，禁止其它用戶程序讀取或更改，當(dāng)你的進(jìn)程完成更新后，解除鎖定，其它用戶程序才能正常讀寫。在一些實(shí)際應(yīng)用程序中，例如生產(chǎn)管理系統(tǒng)，如果并發(fā)量不大，完全可以使用悲觀鎖定的方法，這種方法使用起來非常方便和簡單。悲觀鎖很好的解決了數(shù)據(jù)讀寫的正確性，并由于加鎖時(shí)間較長，使得并發(fā)性變差，在訪問量很大時(shí)，用戶體驗(yàn)將會(huì)是災(zāi)難性的。在系統(tǒng)的并發(fā)非常大的情況下，悲觀鎖定會(huì)帶來非常大的性能問題，所以就要選擇樂觀鎖定的方法。

樂觀鎖與悲觀鎖相反，樂觀的認(rèn)為對同一數(shù)據(jù)同時(shí)存取的概率極小，因而在數(shù)據(jù)庫層次上的不加鎖定機(jī)制，為了保證數(shù)據(jù)的正確性，樂觀鎖定采用在應(yīng)用程序設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。在樂觀鎖機(jī)制中，增加了并發(fā)用戶次數(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)庫的效率。

在高并發(fā)的環(huán)境下，使用多臺電腦做均衡負(fù)載，但是數(shù)據(jù)庫放在一臺電腦上，那如何是這些并發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)都是統(tǒng)一的， 比如在用一時(shí)間，A用戶調(diào)用1號設(shè)備修改記錄，而A用戶也在2號設(shè)備同樣需要修改記錄 ，現(xiàn)在的思路是在數(shù)據(jù)庫電腦上做異步鎖，所用的數(shù)據(jù)操作都會(huì)調(diào)用到這個(gè)鎖，這個(gè)鎖就是以用戶的用戶名來定義。

4 結(jié)束語

本文從數(shù)據(jù)庫并發(fā)控制角度分析了大型網(wǎng)絡(luò)平臺在高負(fù)荷環(huán)境時(shí)鎖定機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)效率的影響，提出解決數(shù)據(jù)一致性和高并發(fā)讀寫效率的思路。并發(fā)控制的方法非常豐富，遠(yuǎn)不止本文所提及的這些方法。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，并發(fā)控制的方法和實(shí)現(xiàn)途徑多種多樣。在選擇時(shí)所依據(jù)的基本原則就是：數(shù)據(jù)一致性一定要合乎應(yīng)用的需要，在此基礎(chǔ)上，盡量提高并發(fā)度。

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