一种嵌入式移动实时事务的并发控制策略硕士学位论文.docx

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一种嵌入式移动实时事务的并发控制策略硕士学位论文

硕士学位论文

一种嵌入式移动实时事务的

并发控制策略

AThesisSubmittedtoHuazhongUniversityofScienceand

TechnologyfortheDegreeofMasterofEngineering

AConcurrencyControlStrategyof

EmbeddedMobileReal-timeTransactions

Candidate

:

ChenWei

Major

:

ComputerSoftwareandTheory

Supervisor

:

Prof.LuYansheng

HuazhongUniversityofScienceandTechnology

Wuhan430074,P.R.C.

June,2007

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

保密□，在________年解密后适用本授权书。

本论文属于

不保密□。

（请在以上方框内打“√”） 

学位论文作者签名：

         指导教师签名：

日期：

    年   月   日   日期：

    年  月    日

摘要

随着实时应用对效率要求的不断提高，以及移动通信技术的快速发展和移动计算机的大量普及，由移动计算、实时应用结合传统数据库技术而形成的嵌入式移动实时数据库系统已成为数据库领域的新兴热点课题。

其事务处理要充分考虑资源、时效、应用环境的限制，满足事务的实时性和移动性。

嵌入式移动实时事务的并发控制除了满足传统事务的基本特性外，还要着重考虑优先级颠倒、不必要的事务重启、全局数据一致性及混合事务系统的性能等问题。

基于绝对串行化时序与选择重启的乐观并发控制算法（简称OCC-ASTOSR）是嵌入式移动实时事务并发控制的一种有效策略。

OCC-ASTOSR算法利用绝对时标在广播循环的支持下调整移动客户端和中心数据库服务器上的事务串行化顺序，检测事务的数据访问冲突，并应用选择重启的方法解决冲突。

事务随着运行过程更新读写数据集信息，每个数据对象都维护相关的时间信息，通过无线网络通信传递这些控制信息，交互地完成移动客户端和中心服务器中的本地事务验证和移动事务两阶段验证提交。

利用可串行化理论可证明由OCC-ASTOSR算法控制产生的事务调度是视图可串行化的，模拟嵌入式移动实时环境编写并发控制原型系统，从实时事务错失率、事务重启次数、系统吞吐率等方面对该算法进行性能评测实验，实验结果显示它比其它几种算法相对具有较好的综合性能。

关键词：

嵌入式移动实时事务，乐观并发控制，绝对串行化时序，选择重启

Abstract

Withtheincreasingrequestoftheefficiencyinreal-timeapplicationandthefastdevelopmentofmobilecommunicationtechnology,EmbeddedMobileReal-timeDatabaseSystemwhichintegratethemobilecomputation,real-timeapplicationandtraditionaldatabasetechnologybecomeafocusintheresearchofdatabase.Thetransactionprocessinginthissystemshouldconsideraboutthelimitationofresource,timeandefficiency,sothatthetransactionscouldfitthedemandoftheirreal-timeandmobilecharacteristic.

Besidesmaintainingthecharacteristicsoftraditionaltransactions,theembeddedmobilereal-timetransactionsshouldfocusonhowtoresolvetheproblemofpriorityreversing,fruitlessrestarting,consistencyofglobaldataandhighperformanceofthemixedtransactionssystem.OptimisticConcurrencyControlwithAbsoluteSerializeTimeOrderandSelectedRestart（OCC-ASTOSR）isanavailableandeffectualstrategyofthecontrolofembeddedmobilereal-timetransactions.

OCC-ASTOSRusesanabsolutetimestamptoadjusttheserializeorderoftransactionsinmobileclientandcentralserver,checksovertheconflictionofdataaccess,andtaketheSelectedRestartmethodtoresolvetheconfliction.Transactionsupdatetheirreadsetandwritesetwhenaccessthedataandeverydatamaintainssomerelationaltimeinformation,theyexchangemessageviawirelessnetworkandcompletetwophasevalidationinthecontrolofthewholesystem.

Provedbythetheoryoftheserializationoftransactions,thetransactionsschedulewhichproducedbyOCC-ASTOSRstrategyisserialized.SimulatedexperimentshowsthatOCC-ASTOSRisbetterthansomeotherstrategiesonmissrate,countofrestartingandsystemthroughput.

Keywords:

embeddedmobilereal-timetransactions,optimisticconcurrencycontrol,absoluteserializetimeorder,selectedrestart

目录

摘要I

AbstractII

1绪论

1.1课题背景

（1）

1.2嵌入式移动实时数据库概况

（1）

1.3事务（4）

1.4本文组织（8）

2并发控制的基本理论和方法

2.1可串行化理论（9）

2.2基于锁的并发控制（11）

2.3乐观并发控制（14）

2.4其它并发控制方法（19）

2.5本章小结（20）

3一种嵌入式移动实时数据库的并发控制策略

3.1嵌入式移动实时混合事务模型（21）

3.2分级并发控制思想（24）

3.3基于绝对串行化时序与选择重启的乐观并发控制（27）

3.4本章小结（37）

4系统实现与性能评价

4.1并发控制原型系统（38）

4.2算法性能评价（43）

4.3本章小结（46）

5总结与展望

5.1工作总结（47）

5.2将来展望（47）

致谢（49）

参考文献（50）

1绪论

1.1课题背景

数据库系统作为一种重要的计算机技术发展至今已有几十年历史，随着实时应用对效率要求的不断提高，以及移动通信技术的快速发展和移动计算机的大量普及，由移动计算、实时应用结合传统数据库技术而形成的嵌入式移动实时数据库，现已成为数据库系统领域的新兴热点课题。

与传统数据库系统相比，由于嵌入式移动实时环境的特性，它可以支持更多新的应用：

公共信息发布，用户通过无线便携设备了解新闻、股票、天气等信息资源，并及时做出决策；军事作战，每个士兵都作为独立的系统单元，实时处理战场信息并与服务器进行交互，服务器综合各单元的移动信息指挥整个战场行动；移动电子商务，随着用户所处地点的变迁，数据库查询将总是显示最新有效的商务信息，满足商务用户对位置相关和异地操作的特殊要求。

本课题组的目标便是开发出一个嵌入式移动实时环境下的数据库管理系统，支持移动终端的嵌入式数据库和中心服务器的数据库的运行和管理。

1.2嵌入式移动实时数据库概况

1.2.1嵌入式系统

嵌入式系统一般是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、能耗等有严格要求的专用计算机系统，它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户应用软件等几个部分组成。

随着电子集成技术、计算技术、软件工程技术等的日趋成熟和完善，嵌入式系统正向社会各个领域渗透。

嵌入式硬件受微处理器性能限制，一般只有存储器、I/O控制和少量逻辑电路，在嵌入式操作系统上运行的软件要充分考虑这些硬件的性能问题，做相应的优化和设计，以充分利用系统资源，提高应用效率。

1.2.2移动计算

计算环境先后经历了集中式计算、分布式计算、网络计算以及移动计算等多种模式，目前受到广泛关注的移动计算环境使得计算设备在没有固定物理连接的情况下能准确及时地把数据传输到中央信息系统并与之交互，分担全系统的计算压力，使信息能提供给任何时间、任何地点需要它的任何用户。

鉴于移动计算环境的复杂性和灵活性，其系统通常采用移动结点和固定结点混合分布的结构。

移动设备经无线通道通过移动服务基站和固定网络相连，可在一定区域内自由活动，整个区域被划分成许多小的单元，各个单元由特定的移动服务基站管理，基站作为固定结点以高速有线网络相联。

与传统分布式系统不同，移动计算环境作为一个动态的分布式系统具有如下新的特点：

（1）移动性；

（2）频繁断接性；

（3）网络条件多样性；

（4）网络通信非对称性；

（5）移动计算机电源支持时间有限；

（6）移动网络可靠性低；

（7）系统规模可伸缩。

1.2.3嵌入式移动实时数据库

数据库技术总是与计算环境的一定发展阶段相适应，新的计算环境和需求促成数据库技术的形成和发展。

与通用的桌面系统不同，由于嵌入式系统没有充足的内存和磁盘资源，微处理器的处理能力也有限，所以不论是嵌入式的操作系统还是数据库管理系统，都要尽量占用很少的系统资源。

嵌入式数据库系统可以支持移动用户在多种网络条件下有效地访问所需数据，完成数据查询和事务处理；通过数据库的同步技术或者数据广播技术，即使在断接的情况下用户也可以继续访问所需数据，这使得嵌入式数据库系统具有高度的可用性；它还可以充分利用无线网络固有的广播能力，以较低的代价同时支持多移动用户对后台主数据源的访问，从而实现高度的可伸缩性，这是传统的客户/服务器或分布式数据库系统所难以比拟的。

同时，实时数据库系统是处理具有时间约束事务的数据库系统，一般实时事务的时间约束用截止期来表示，即实时事务必须在截止期内提交。

在实时数据库系统中，衡量系统性能的标准不是平均响应时间和吞吐量，而是错失率，即错失截止期的实时事务所占的比率，实时事务按照由截止期和价值确定的优先级进行调度[1]。

因此，在嵌入式移动实时环境中，数据库系统需要不断跟踪环境变化而产生时间约束，以保证数据有效性，做出正确决策。

综上看来，嵌入式移动实时数据库系统除了要满足传统数据库的要求外，更是在占用存储空间、可靠性、可管理性、移植性和安全性等方面有进一步要求，作为实时数据库技术在嵌入式系统中的一种应用，其软硬件结构有了很大的变化，需要对实时数据库的软件模块进行剪裁、配置。

此外，实时数据库软件需要具有较高的可靠性和实时性，这对资源有限的嵌入式系统而言是一个很大的挑战，即如何在有限的系统资源的基础上保证数据有较高的时效性和一致性。

随着嵌入式移动实时数据库应用市场需求的与日俱增，越来越多的商家都投入到这个大的开放性的市场中，也出现了一系列各具特色的商业产品。

在国外，有Sybase提供业界领先解决方案的SQLAnywhere，Oracle针对移动计算推出的OracleLite，IBM的DB2satellite及DB2Everyplace，以及微软的MSDE引擎等等；在国内，也逐步由理论研究转向实际产品开发，较有代表性的有东北大学的OpenBASEMini，人大金仓研发的“小金灵”系统等。

现在嵌入式移动实时数据库已经形成了较为成熟的产业，成为嵌入式系统不可缺少的部分，但是相对国外数据库的发展模式而言，国内起步较晚、应用面较小、应用领域也不够广，同时存在着理论研究、原型设计与产品商业化分离的不足。

不过随着计算终端的小型化，应用领域的不断扩展，可以预见，不久的将来其应用将进入到移动互联网、移动电子商务政务、移动物流、移动金融系统、移动新闻等多个商业与经济领域。

1.3事务

1.3.1事务的基本特性

事务是对数据操作的一组命令集合，它构成一个独立的整体单元，具有如下基本特性，一般称为ACID特性：

原子性（Atomicity），事务的所有操作要么全做要么全不做；一致性（Consistency），事务对数据库的更改只能从一个一致性状态过渡到另一个一致性状态，被迫中断的事务将不影响数据一致性的结果；隔离性（Isolation），多个事务并发执行时，对任一事务来说，从数据操作结果上都感觉不到其它事务对它有影响；持久性（Durability），一个事务一旦提交，它对数据库的更改必须是永久的。

数据库管理系统允许事务并发执行，其好处在于利用CPU与I/O系统的并发性，提高处理器与磁盘的利用率，增加了系统的事务吞吐量，而且事务有长有短，并发执行可以减少事务的平均响应时间。

事务的ACID特性要求保证并发事务在任何调度后数据库总处于一致状态，其执行的结果必须等价于串行事务按照先后顺序依次执行的结果。

1.3.2实时数据与事务

实时数据库系统会不断地跟踪环境而产生时间约束，实时事务的执行需要维持外界环境的实际状态跟数据库所反映的状态的一致性，在此提出了时态一致性的概念。

对实时数据库中的一个数据对象d，其绝对有效时间的开始即d被观测或采样的时刻记为ot（d），其绝对有效时间的结束又称外部有效期记为evi（d），对象的当前值记为v（d），则实时数据对象可以用一个三元组表示为d:

[2]。

定义1.1实时数据d具有绝对时态一致性，当且仅当d的当前值满足数据库内部的完整性和一致性逻辑要求且ct（d）－ot（d）≤evi（d），其中ct（d）为当前检测时间。

当使用不同的多个数据产生新的数据时，必须保证这些数据之间的时态一致性。

用来产生新数据或做出决策的一组数据称为相对一致集，每组集R都对应一个相关的相互有效期，记为rvi（R）。

定义1.2相对一致集R具有正确性，当且仅当对任意d∈R有ot（d）≤ct（d）≤ot（d）+evi（d）且对任意d1,d2∈R有|（ot（d1）+evi（d1））－（ot（d2）+evi（d2））|≤rvi（R）。

定义1.3实时数据库中的数据d是时态一致的，需同时满足绝对时态一致性和相对一致集的正确性条件。

要保证实时数据库具有正确的一致性状态，就是要充分保证数据的时态一致性，这依赖于实时事务的调度处理。

实时事务有一些与传统事务存在根本区别的特性，传统事务是独立的单元，强调绝对正确性，而不涉及任何时间特性，而实时事务的新特性主要表现为：

正确性，事务执行不仅要求逻辑结果上的正确，还要求时间正确性，事务价值与是否在给定截止期内提交有关；可预测性，某些系统中实时事务错失截止期将导致灾难性后果，因此要求能够预测这些事务的执行时间，以确保事务能够满足截止期，从而保证系统的正常运行；优先性，不同事务的提交对系统带来不同的价值，依照任务的紧迫度和价值大小划分事务的优先级，先保证高优先级事务在截止期内完成提交[3-4]。

为满足上述数据一致性和实时特征，实时事务通常需要维护的一些属性有：

绝对截止期、到达时间、相对截止期、估计执行时间、剩余执行时间、松弛时间、价值函数等。

依照实时事务的特征，一般按如下几种方法将实时事务分类。

（1）按价值函数分类

实时事务的价值与其是否在截止期内完成提交有很大关系，不同的系统中事务超截止期带来的影响不同，由此可以利用事务的价值函数建模。

硬截止期实时事务，又称硬实时事务，超过截止期会给系统带来严重后果，价值函数为负值，对应于一些危急性紧迫任务。

软截止期实时事务，又称软实时事务，超过截止期后仍存在一定价值，但会不断下降，直至到某一时刻（称为最终有效时间）降为零，之后保持为零而不会变负。

固截止期实时事务，又称固实时事务，一旦到达截止期，其价值立刻降为零，此后保持不变，不会为负，它是软实时事务的最终有效时间和截止期重合的特例。

图1.1反映了这几种不同类实时事务的价值函数，其中两坐标轴v和t分别表示价值和时间，s是事务的启动时间，d是截止期，e则表示最终有效时间，在t

图1.1实时事务按价值函数分类

（2）按数据使用方式分类

只读事务，读取数据库中数据进行计算或发送给用户。

只写事务，获取现实世界的环境状态写入数据库中。

更新事务，读取当前数据库状态信息并导出新的数据值存储到数据库中。

这种划分和传统事务划分相同，目的是为了更方便的设计和改进事务处理和并发控制的实现机制。

（3）按到达方式分类

事务到达系统或系统产生事务的时间和方式不同，依此可以分类为：

周期事务，以一定的时间周期循环地到达和被执行，例如对应现实世界数据采样的事务。

非周期事务，由特定的外部请求或某种内部状态事件动态驱动产生的事务。

此外，还可能有一些非预先安排到达时间的不具有实时性的零星事务。

1.3.3从分布式事务到移动事务

分布式事务对数据库的存取操作经优化后，转换产生一个用通信原语联系的多个局部数据的存取操作序列，分别只涉及相应场地上的局部数据库的逐个操作。

因此，通常称分布式事务为全局事务，而涉及各相应场地的子操作称为子事务。

在事务请求的结点，创建父事务协调全局事务的执行，父事务又称协调者，在该全局事务需要访问数据的各结点创造子事务来完成局部数据库相应的操作。

分布式事务执行过程如图1.2所示[5]，并发执行时，父事务同时发送开始工作的消息给许多结点而不必等待它们的反应，子事务成功地完成了父事务指定的任务之后发送完成任务的消息给父事务，父事务在接受到完成任务消息之后可能发送更多的任务给同一个子事务，或者发送一份任务给另外的子事务。

当全局事务完成所有指定的任务之后，父事务和子事务共同完成两阶段提交协议来保证事务的原子性。

图1.2分布式事务执行

全局事务在并发执行时要求可串行性、原子性和隔离性，子事务在调度执行时也要求可串行性和可恢复性。

全局事务的调度保证事务的正确执行，它包括涉及各物理场地的局部调度，保证局部数据库的一致，同时也包括通过通讯协议对子事务的执行进行协调，保证全局数据库的一致性。

移动事务实际上是一种分布式事务，它由移动主机产生，执行用户任务，一部分计算工作放在客户机上完成，当需要全局数据支持时剩下的部分工作则交给固定节点或中心服务器完成。

由于移动事务处理环境是一个低带宽、长延迟和频繁断接的环境，这使得移动事务执行时更容易出错，而且要访问更加复杂的数据资源。

在移动计算环境下，移动主机从一个无线网络单元迁移到另一个无线网络单元，随之而来的是事务的状态、被访问数据对象的状态和位置等信息也发生变动，并且要求事务在新区域内可以继续执行，同时保证数据一致性。

移动事务的上述特性使得移动事务处理成为一个具有挑战性的研究领域，相对一般分布式事务它还具有以下几个特点[6]：

（1）位置相关性，移动事务需要随环境改变动态地获取外界的数据信息。

（2）复杂性，无线网络低带宽高延迟，不像分布式系统用高速网络相联，其上行与下行通道不对称，这使得移动事务要解决动态全局命名、高效通信策略、事务过区切换等一系列问题。

（3）异构性，由于各个移动主机的动态移动，移动事务本身的执行过程也是异构的，和不同时间的数据分布相关。

1.4本文组织

本论文的组织结构安排如下：

第一章介绍嵌入式移动实时数据库的理论和应用背景，简单概括该环境下事务处理的新特点和新需求；

第二章综合纵览国内外常用的并发控制算法，分析它们各自的思想特点和适用环境，尤其是如何适应嵌入式移动实时环境；

第三章根据课题组的具体应用提出一种混合事务模型，针对此模型分析了已有的并发控制算法的不合适之处，提出改进思想，设计出一种基于绝对串行化时序和选择重启的乐观并发控制协议；

第四章应用上一章中的算法开发一个并发控制原型系统，并选定模拟嵌入式移动实时环境的参数，在该原型系统上对算法进行性能评价实验；

第五章对全文工作进行总结，并指出以后研究工作的方向。

2并发控制的基本理论和方法

2.1可串行化理论

数据库系统允许多个事务并发执行，这样能提高吞吐率和资源利用率。

一个事务由多个操作组成，一些操作涉及IO活动，而另一些涉及CPU计算，计算机系统中CPU与磁盘可以并行运作，因此IO活动可以与CPU处理并行进行，从而系统的吞吐率增加，即给定时间内执行的事务数增加，相应地处理器与磁盘利用率也提高了。

另外，数据库系统中可能运行着执行时间长短不一的事务，它们串行执行时，短事务可能得等待它前面的长事务完成而导致难以预测的延迟，并发执行的各个事务则可以共享CPU周期与磁盘存取，减少不可预测的事务执行延迟，也就减少了系统的平均响应时间。

可见，在数据库系统中使用并发事务的动机本质上与操作系统中使用多进程/线程程序设计的动机是一样的。

然而，多个事务并发执行必然会引起数据访问冲突的问题，要避免事务之间的互相干扰，保证各事务的ACID特性，就必须对多个事务的运行进行并发控制，以确保事务的运行不产生数据不一致的结果。

如果多个事务按顺序串行地执行，对其中任意两个事务，一个事务的所有操作都在另一个事务的所有操作之前或者之后执行，必然不会产生数据访问的冲突，故数据库不会产生不一致