SQLite入门与分析(二)---设计与概念(2)

写在前面:本节讨论事务,事务是DBMS最核心的技术之一.在计算机科学史上,有三位科学家因在数据库领域的成就而获ACM图灵奖,而其中之一Jim Gray(曾任职微软)就是因为在事务处理方面的成就而获得这一殊荣,正是因为他,才使得OLTP系统在随后直到今天大行其道.关于事务处理技术,涉及到很多,随便就能写一本书.在这里我只讨论SQLite事务实现的一些原理,SQLite的事务实现与大型通用的DBMS相比,其实现比较简单.这些内容可能比较偏于理论,但却不难,也是理解其它内容的基础.好了,下面开始第二节---事务.

2、    事务(Transaction)

2.1、事务的周期(Transaction Lifecycles)
程序与事务之间有两件事值得注意：
（1）    哪些对象在事务下运行——这直接与API有关。
（2）    事务的生命周期，即什么时候开始，什么时候结束以及它在什么时候开始影响别的连接（这点对于并发性很重要）——这涉及到SQLite的具体实现。
一个连接（connection）可以包含多个(statement)，而且每个连接有一个与数据库关联的B-tree和一个pager。Pager在连接中起着很重要的作用，因为它管理事务、锁、内存缓存以及负责崩溃恢复(crash recovery)。当你进行数据库写操作时，记住最重要的一件事：在任何时候，只在一个事务下执行一个连接。这些回答了第一个问题。
一般来说，一个事务的生命和statement差不多，你也可以手动结束它。默认情况下，事务自动提交，当然你也可以通过BEGIN..COMMIT手动提交。接下来就是锁的问题。

2.2、锁的状态(Lock States)
锁对于实现并发访问很重要，而对于大型通用的DBMS，锁的实现也十分复杂，而SQLite相对较简单。通常情况下，它的持续时间和事务一致。一个事务开始，它会先加锁，事务结束，释放锁。但是系统在事务没有结束的情况下崩溃，那么下一个访问数据库的连接会处理这种情况。
在SQLite中有5种不同状态的锁，连接（connection）任何时候都处于其中的一个状态。下图显示了相应的状态以及锁的生命周期。

 关于这个图有以下几点值得注意：
（1）    一个事务可以在UNLOCKED，RESERVED或EXCLUSIVE三种状态下开始。默认情况下在UNLOCKED时开始。
（2）    白色框中的UNLOCKED, PENDING, SHARED和 RESERVED可以在一个数据库的同一时存在。
（3）    从灰色的PENDING开始，事情就变得严格起来，意味着事务想得到排斥锁(EXCLUSIVE)（注意与白色框中的区别）。
虽然锁有这么多状态，但是从体质上来说，只有两种情况：读事务和写事务。

2.3、读事务(Read Transactions)
我们先来看看SELECT语句执行时锁的状态变化过程，非常简单：一个连接执行select语句，触发一个事务，从UNLOCKED到SHARED，当事务COMMIT时，又回到UNLOCKED，就这么简单。
考虑下面的例子(为了简单，这里用了伪码)：
db = open('foods.db')
db.exec('BEGIN')
db.exec('SELECT * FROM episodes')
db.exec('SELECT * FROM episodes')
db.exec('COMMIT')
db.close()

由于显式的使用了BEGIN和COMMIT，两个SELECT命令在一个事务下执行。第一个exec()执行时，connection处于SHARED，然后第二个exec()执行，当事务提交时，connection又从SHARED回到UNLOCKED状态，如下：
UNLOCKED→PENDING→SHARED→UNLOCKED
如果没有BEGIN和COMMIT两行时如下：
UNLOCKED→PENDING→SHARED→UNLOCKED→PENDING→ SHARED→UNLOCKED

2.4、写事务（Write Transactions）
下面我们来考虑写数据库，比如UPDATE。和读事务一样，它也会经历UNLOCKED→PENDING→SHARED，但接下来却是灰色的PENDING，

2.4.1、The Reserved States
当一个连接（connection）向数据库写数据时，从SHARED状态变为RESERVED状态，如果它得到RESERVED锁，也就意味着它已经准备好进行写操作了。即使它没有把修改写入数据库，也可以把修改保存到位于pager中缓存中（page cache）。
当一个连接进入RESERVED状态，pager就开始初始化恢复日志（rollback journal）。在RESERVED状态下，pager管理着三种页面：
(1)    Modified pages：包含被B-树修改的记录，位于page cache中。
(2)    Unmodified pages：包含没有被B-tree修改的记录。
(3)    Journal pages：这是修改页面以前的版本，这些并不存储在page cache中，而是在B-tree修改页面之前写入日志。
Page cache非常重要，正是因为它的存在，一个处于RESERVED状态的连接可以真正的开始工作，而不会干扰其它的（读）连接。所以，SQLite可以高效的处理在同一时刻的多个读连接和一个写连接。

2.4.2 、The Pending States
当一个连接完成修改，就真正开始提交事务，执行该过程的pager进入EXCLUSIVE状态。从RESERVED状态，pager试着获取PENDING锁，一旦得到，就独占它，不允许任何其它连接获得PENDING锁（PENDING is a gateway lock）。既然写操作持有PENDING锁，其它任何连接都不能从UNLOCKED状态进入SHARED状态，即没有任何连接可以进入数据（no new readers, no new writers）。只有那些已经处于SHARED状态的连接可以继续工作。而处于PENDING状态的Writer会一直等到所有这些连接释放它们的锁，然后对数据库加EXCUSIVE锁，进入EXCLUSIVE状态，独占数据库(讨论到这里，对SQLite的加锁机制应该比较清晰了)。


2.4.3、The Exclusive State
在EXCLUSIVE状态下，主要的工作是把修改的页面从page cache写入数据库文件，这是真正进行写操作的地方。
在pager写入modified pages之前，它还得先做一件事：写日志。它检查是否所有的日志都写入了磁盘，而这些通常位于操作的缓冲区中，所以pager得告诉OS把所有的文件写入磁盘，这是由程序synchronous(通过调用OS的相应的API实现)完成的。
日志是数据库进行恢复的惟一方法，所以日志对于DBMS非常重要。如果日志页面没有完全写入磁盘而发生崩溃，数据库就不能恢复到它原来的状态，此时数据库就处于不一致状态。日志写入完成后，pager就把所有的modified pages写入数据库文件。接下来就取决于事务提交的模式，如果是自动提交，那么pager清理日志，page cache，然后由EXCLUSIVE进入UNLOCKED。如果是手动提交，那么pager继续持有EXCLUSIVE锁和保存日志，直到COMMIT或者ROLLBACK。

总之，从性能方面来说，进程占有排斥锁的时间应该尽可能的短，所以DBMS通常都是在真正写文件时才会占有排斥锁，这样能大大提高并发性能。