Sperrverfahren werden in Datenbanksystemen eingesetzt, um die Forderung der Isolation des ACID-Prinzips bei Transaktionen zu erfüllen. Alle Sperrverfahren, auch Sperrprotokolle genannt, fallen in die Kategorie der pessimistischen Synchronisationsverfahren („Pessimistisches Locking“), d. h., es wird bei dem Start einer Transaktion davon ausgegangen, dass es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem Konflikt mit einer parallel ablaufenden Transaktion kommt. Deren Gegenteil bilden optimistische Verfahren, die Schedules auf Konflikte untersuchen und ggf. eine der beteiligten Transaktionen zurücksetzen („Rollback“).

Einführung

Um eine Transaktion formal darstellen zu können, wird der Vereinfachung halber angenommen, dass auf einem Datenbankobjekt ${\displaystyle a}$ entweder eine Lese- oder eine Schreiboperation stattfinden kann. Beim Lesen wird das Objekt, im Gegensatz zum Schreiben, nicht verändert.

Um mehrere Transaktionen, welche gleichzeitig auf das gleiche Datenbankobjekt zugreifen wollen, miteinander zu synchronisieren, kann jede Transaktion eine Lesesperre (shared lock) oder eine Schreibsperre (exclusive lock) auf ein Objekt anfordern.

Bevor eine Transaktion ${\displaystyle T}$ das Objekt ${\displaystyle a}$ nutzen darf, muss sie eine Sperre für ${\displaystyle a}$ anfordern (${\displaystyle R(a)}$). Wenn eine andere Transaktion ${\displaystyle P}$ das gewünschte Objekt allerdings exklusiv gesperrt hat, muss ${\displaystyle T}$ solange warten, bis ${\displaystyle P}$ das Objekt wieder freigegeben hat und ${\displaystyle T}$ die Lesesperre erhält. Während dieser Wartezeit spricht man davon, dass ${\displaystyle T}$ blockiert ist. Eine Blockade kann immer dann auftreten, wenn eine andere Transaktion bereits eine Sperre auf das gewünschte Objekt ${\displaystyle a}$ gesetzt hat.

In dem Fall, dass mehrere Transaktionen gegenseitig auf die Freigabe von Sperren warten, das heißt, sie sich gegenseitig blockieren, spricht man von einem „Deadlock“.

In welchen Situationen eine Blockade erfolgt, hängt von dem jeweils eingesetzten Sperrverfahren ab und kann aus der dazugehörenden Kompatibilitätsmatrix (s. u.) abgelesen werden.

Fundamentalsatz des Sperrens

Jede Transaktion, welche Sperren nutzt, muss die folgenden Sperrbedingungen einhalten:

1. Für jedes Objekt, welches von der Transaktion benutzt werden soll, muss vor der Nutzung eine Sperre angefordert werden.
2. Eine Transaktion darf eine von ihr bereits gesetzte Sperre auf demselben Objekt nicht nochmals anfordern.
3. Spätestens am Ende der Transaktion (end-of-transmission, EOT) müssen wieder alle von der Transaktion gesetzten Sperren freigegeben werden.
4. Jede Transaktion muss die durch andere Transaktionen gesetzten Sperren beachten.
5. Jede Transaktion durchläuft die Phasen des Wachstums der Sperren und deren Schrumpfung (siehe unten).

Zwei-Phasen-Sperrprotokoll

Das 2PL-Verfahren (two-phase locking) geht davon aus, dass jede Transaktion zwei Phasen durchläuft:

1. Die Wachstumsphase, in welcher Sperren nur gesetzt, aber nicht freigegeben werden dürfen.
2. Die Schrumpfungsphase, in welcher Sperren nur freigegeben, aber nicht angefordert werden dürfen.

Dabei wird zwischen zwei Sperren unterschieden:

1. Read-Lock (auch shared): mehrere Prozesse können lesend auf das gesperrte Objekt zugreifen.
2. Write-Lock (auch exclusive): nur der sperrende Prozess kann auf das Objekt zugreifen und dieses auch schreiben.

Es gibt zwei Spezialfälle von 2PL:

1. Das konservative 2-Phasen-Sperrprotokoll (Preclaiming), bei welchem zu Beginn der Transaktion alle benötigten Sperren auf einmal gesetzt werden. Dies verhindert in jedem Fall Deadlocks, führt aber auch zu einem hohen Verlust an Parallelität, da eine Transaktion ihre erste Operation erst dann ausführen kann, wenn sie alle Sperren erhalten hat. Weiterhin muss im Voraus bekannt sein, welche Sperren von der Transaktion benötigt werden, was zumindest bei einer bedingten if-then-else-Anweisung nicht trivial zu lösen ist. Aus diesem Grund wird diese Variante in der Praxis kaum eingesetzt. Es kann bei dieser Variante bereits vor Ende der Transaktion mit der Freigabe gesperrter Objekte begonnen werden.
2. Das strikte 2-Phasen-Sperrprotokoll, bei welchem alle gesetzten Write-Locks erst am Ende der Transaktion (nach der letzten Operation) freigegeben werden. Dieses Vorgehen verhindert den Schneeballeffekt, also das kaskadierende Zurücksetzen von sich gegenseitig beeinflussenden Transaktionen. Der Nachteil ist, dass Sperren häufig viel länger gehalten werden als nötig und sich somit die Wartezeit von blockierten Transaktionen verlängert. Die Read-Locks werden entsprechend dem Standard-2PL-Verfahren freigegeben.

Falls beide Verfahren in Kombination eingesetzt werden, führt dies automatisch dazu, dass alle Transaktionen, die auf das gleiche Objekt zugreifen, sequentiell nacheinander ausgeführt werden (sofern nicht beide Transaktionen das Datenelement nur lesen). Dies widerspricht der Idee des Transaktionskonzeptes.

Weitere Sperren

Grundsätzlich existieren zwei Arten von klassischen Sperren: X (von englisch eXclusive = ausschließlich) als Sperre bei Modifikationen, meist Schreiben, und die S-Sperre (von englisch share = teilen, gemeinsam benutzen), bei der das Objekt unverändert bleibt und die den gleichzeitigen Zugriff zulässt. Da dies für das Lesen zutrifft, wird die S-Sperre häufig auch als R-Sperre (von englisch read = lesen) bezeichnet. Eine Transaktion, die eine Schreibsperre anfordert, muss so lange warten, bis alle Sperren anderer Transaktionen freigegeben wurden.

Während die Schreibsperre gesetzt ist, kann keine andere Transaktion eine weitere Lese- oder Schreibsperre für das Objekt erhalten. Das heißt, eine schreibende Transaktion blockiert sämtliche andere Transaktionen, die dasselbe Objekt benötigen.

Hierarchische Sperrgranulate

Die bisherigen Sperren betrachteten nur solche derselben Granularität, die zu sperrenden Objekte standen hierarchisch auf der gleichen Höhe. Dies kann auf folgende hierarchische Sperrgranulate (engl. Multiple granularity locking genannt) verfeinert werden (in absteigender Hierarchie, je weiter unten desto feiner):

1. Datenbasis
2. Segmente
3. Seiten
4. Datensätze

Multiversion Concurrency Control (MVCC)

Siehe auch

• Lock
• Sperreskalation
• Optimistisches Locking

Literatur

• R. Elmasri et al.: Grundlagen von Datenbanksystemen. 3. Auflage. Pearson Studium, 2002, ISBN 3-8273-7021-3, S. 714 ff.
• Alfons Kemper, André Eickler: Datenbanksysteme – Eine Einführung. 11 Auflage. Oldenbourg, München 2011, ISBN 978-3-486-59834-6, S. 329 ff.
• J. Gray, R. Lorie, G.F. Putzolu, I.L. Traiger: Granularity of Locks and Degrees of Consistency in a Shared Database. In: G.M. Nijssen (Hrsg.): Modeling in Data Base Management Systems. North Holland Pub., 1976, S. 364–394.
• Skript zur Vorlesung Datenbanksysteme II (PDF; 435 kB) LMU München
• inst.eecs.berkeley.edu (PDF; 1,3 MB) University of Berkeley

Weblinks

• Skripte zum automatischen Lösen von Schedules mittels 2PL

Einzelnachweise

1. 1 2 Alfons Kemper, André Eickler: Datenbanksysteme – Eine Einführung. 11. Auflage. Oldenbourg, München 2011, ISBN 978-3-486-59834-6.