С.Д. Кузнецов

Глава 6. System R: более чем удачный эксперимент

Глава 6. System R: более чем удачный эксперимент

Система управления реляционными базами данных System R разрабатывалась в исследовательской лаборатории фирмы IBM в 1975-1979 г.г. Эта работа оказала революционизирующее влияние на развитие теории и практики реляционных систем во всем мире. Именно System R практически доказала жизнеспособность реляционного подхода к управлению базами данных. После успешного завершения работ по созданию этой системы и получения экспериментальных результатов ее использования был разработан целый ряд коммерчески доступных реляционных систем, в том числе и на основе непосредственного развития System R (некоторые возможности одной из коммерчески доступных реляционных систем, DB2, описываются в переведенной на русский язык книге К. Дейта "Руководство по реляционной СУБД DB2"). Исключительно важен практический опыт, приобретенный при разработке этой системы. Во всех более поздних реляционных СУБД в той или иной степени используются методы, примененные в System R.

После завершения разработки System R фирма IBM активно продолжала работы по реляционным СУБД, причем в нескольких направлениях. Первое направление мы уже отмечали - разработка коммерческих реляционных СУБД. Второе направление - построение распределенной реляционной СУБД на основе идей System R. Экспериментальный вариант такой системы, System R*, был успешно разработан в IBM. Эта работа также существенно обогатила опытом исследователей и разработчиков распределенных СУБД. Наконец, третье направление - исследование и разработка реляционных систем, предназначенных для нетрадиционных приложений.

Организации СУБД System R посвящена обширная библиография. Хотя официально разработка этой системы началась в 1975 г., публикации, связанные с этой системой, появились еще в 1974 г. В частности, в одной из первых публикаций была предложена основа базового языка System R SQL (тогда этот язык назывался SEQUEL, и до сих пор многие называют его именно так; кстати, разработчики System R рекомендовали произносить название SQL именно как SEQUEL). Поскольку публикации сопровождали практическую реализацию системы, каждая из них отражает состояние дел (идейное и практическое) именно на том этапе работы, когда была написана соответствующая статья. Некоторые идеи и представления, естественно, изменялись по ходу работы. Сравнительно законченное представление о системе в целом дают только заключительные публикации. С другой стороны, многие интересные моменты совершенно не отражены в этих последних статьях, и мы постараемся привести более полный обзор идей и методов, примененных в System R. При этом мы будем останавливаться и на некоторых возможных альтернативных решениях, которые были найдены разработчиками System R, но практически не были использованы.

Используемая терминология

Что касается общей терминологии реляционного подхода, мы будем активно пользоваться соответствующими терминами. К таким терминам относятся названия реляционных операций: селекция, проекция, соединение; названия теоретико-множественных операций: объединение, пересечение, разность и т.д.

В тех случаях, когда традиционная терминология System R расходится с общепринятой, мы будем отдавать предпочтение терминологии System R. В частности, это касается использования термина "поле отношения" вместо "атрибут отношения".

В самой System R при переходе к коммерческим системам также произошла некоторая смена терминологии. В частности, в некоторых заключительных публикациях появилась тенденция к употреблению более привычных в среде пользователей IBM терминов: файл, запись и т.д. Мы будем использовать термины System R, более близкие реляционным системам. Далее мы рассмотрим некоторые основные термины System R, исходя при этом в основном не из теоретических соображений, а стремясь отразить практические аспекты соответствующих понятий.

Базовым понятием System R является понятие таблицы (приближенный к реализации эквивалент основного понятия реляционного подхода "отношение"; иногда, в зависимости от контекста, мы будем использовать и этот термин). Таблица - это некоторая регулярная структура, состоящая из конечного набора однотипных записей-кортежей. Каждый кортеж одного отношения состоит из конечного (и одинакового) числа полей кортежа, причем i-тое поле каждого кортежа одного отношения может содержать данные только одного типа. Набор допустимых типов данных в System R предопределен и фиксирован. В силу регулярности структуры отношения понятие поля кортежа расширяется до понятия поля таблицы. I-тое поле таблицы можно трактовать как набор одноместных кортежей, полученных выборкой i-тых полей из каждого кортежа этой таблицы, т.е. в общепринятой терминологии как проекцию отношения на i-тый атрибут. В терминологию System R не входит понятие домена, оно заменяется здесь понятием типа поля, т.е. типом данных, хранение которых в данном поле допускается (это не вполне эквивалентная замена, но такова реальность System R).

Таблицы, составляющие базу данных System R, могут физически храниться в одном или нескольких сегментах, которые проще всего понимать как файлы внешней памяти (и это вполне соответствует действительности). Сегменты разбиваются на страницы, в которых располагаются кортежи отношений и вспомогательные служебные структуры данных - индексы. Соответственно, каждый сегмент содержит две группы страниц: страницы данных и страницы индексной информации. Страницы каждой группы имеют фиксированный размер, но страницы с индексной информацией меньше по размеру, чем страницы данных. В страницах данных могут располагаться кортежи более чем одного отношения (это очень важное свойство физической организации баз данных System R; следующие из этой организации преимущества разъясняются позже).

Этим, конечно, не исчерпывается набор понятий System R, но остальные термины мы будем пояснять по ходу изложения, поскольку для этого требуется соответствующий понятийный контекст.

Основные цели System R и их связь с архитектурой системы

Основные цели разработчиков System R можно сформулировать следующим образом:

  1. обеспечить ненавигационный интерфейс высокого уровня пользователя с системой, позволяющий достичь независимости данных и дать возможность пользователям работать максимально эффективно;
  2. обеспечить многообразие допустимых способов использования СУБД, включая программируемые транзакции, диалоговые транзакции и генерацию отчетов;
  3. поддерживать динамически изменяемую среду баз данных, в которой отношения, индексы, представления, транзакции и другие объекты могут легко добавляться и уничтожаться без приостановки нормального функционирования системы;
  4. обеспечить возможность параллельной работы с одной базой данных многих пользователей с допущением параллельной модификации объектов базы данных при наличии необходимых средств защиты целостности базы данных;
  5. обеспечить средства восстановления согласованного состояния баз данных после различного рода сбоев аппаратуры или программного обеспечения;
  6. обеспечить гибкий механизм, позволяющий определять различные представления хранимых данных и ограничивать этими представлениями доступ пользователей к базе данных по выборке и модификации на основе механизма авторизации;
  7. обеспечить производительность системы при выполнении упомянутых функций, сопоставимую с производительностью существующих СУБД низкого уровня (например, иерархических или сетевых).

Прежде всего отметим, что в подавляющем большинстве поставленные цели при разработке System R были достигнуты. Рассмотрим теперь, какими средствами были достигнуты эти цели и как более точно можно интерпретировать их в контексте System R.

Основой System R является реляционный язык SQL. Иногда его называют языком запросов или языком манипулирования данными, но на самом деле его возможности гораздо шире. Средствами SQL (с соответствующей системной поддержкой) решаются многие из поставленных целей. Язык SQL включает средства динамической компиляции запросов, на основе чего возможно построение диалоговых систем обработки запросов. Допускается динамическая параметризация статически откомпилированных запросов, в результате чего возможно построение эффективных (не требующих динамической компиляции) диалоговых систем со стандартными наборами (параметризуемых) запросов.

Средствами SQL определяются все доступные пользователю объекты баз данных: таблицы, индексы, представления. В System R имелись и средства для уничтожения любого такого объекта. Соответствующие операторы языка могут выполняться в любой момент, и возможность выполнения операции этим пользователем зависит от ранее предоставленных ему прав.

Что касается целостности баз данных, то в System R под целостным состоянием базы данных понимается состояние, удовлетворяющее набору сохраняемых при базе данных предикатов целостности. Эти предикаты, называемые в System R условиями целостности (assertions), задаются также средствами языка SQL. Любое предложение языка выполняется в пределах некоторой транзакции - неделимой в смысле состояния базы данных последовательности операторов языка. Неделимость означает, что все изменения, произведенные в пределах одной транзакции, либо целиком отображаются в состоянии базы данных, либо полностью в нем отсутствуют. Последняя возможность возникает при откате транзакции, который может произойти по инициативе пользователя (при выполнении соответствующего оператора SQL) или по инициативе системы. Одной из причин отката транзакции по инициативе системы является как раз нарушение целостности базы данных в результате действий данной транзакции (другие возможные условия отката транзакции по инициативе системы мы рассмотрим позже). Язык SQL System R содержит средство установки так называемых точек сохранения (savepoint). При инициируемом пользователем откате транзакции можно указать номер точки сохранения, выше которой откат не распространяется. Инициируемый системой откат транзакции производится до ближайшей точки сохранения, в которой условие, вызвавшее откат, уже отсутствует. В частности, откат, инициированный по причине нарушения условия целостности, производится до ближайшей точки сохранения, в которой условия целостности соблюдены. (Заметим, что средства установки точек сохранения отсутствуют в коммерческих расширениях System R.)

Естественно, что для реального выполнения отката транзакции необходимо запоминание некоторой информации о выполнении транзакции. В System R для этих и других целей используется специальный набор данных - журнал, в который помещаются записи обо всех меняющих состояние базы данных операциях всех транзакций. При откате транзакции происходит процесс обратного выполнения транзакции (undo), в ходе которого в обратном порядке выполняются все изменения, зафиксированные в журнале.

В языке SQL имеется средство определения так называемых условных воздействий (triggers), позволяющих автоматически поддерживать целостность базы данных при модификациях ее объектов. В System R условное воздействие - это каталогизированная операция модификации, для которой задано условие ее автоматического выполнения. Особенно существенно наличие такого аппарата в связи с наличием рассматриваемых ниже представлений базы данных, которыми может быть ограничен доступ к базе данных для ряда пользователей. Возможна ситуация, когда такие пользователи просто не могут соблюдать целостность базы данных без автоматического выполнения условных воздействий, поскольку они "не видят" всей базы данных и, в частности, не могут представить всех ограничений ее целостности. Заметим, что за исключением ранних публикаций по System R реализация механизма условных воздействий нигде не описывалась, хотя в принципе подходы к реализации достаточно понятны. Этот механизм не реализован в коммерческих системах, возникших на базе System R. Видимо, это связано с возникающими дополнительными непредсказуемыми для пользователей накладными расходами при выполнении транзакций. (Заметим, что некоторые эквивалентные по возможностям средства реализованы, например, в СУБД Ingres и Oracle, а теперь обсуждается возможность включения подобных механизмов в следующий стандарт языка SQL - SQL-3.)

Язык SQL содержит средства определения представлений. Представление - это сохраняемый в базе данных именованный запрос на выборку данных (из одной или нескольких таблиц). Поскольку SQL - это реляционный язык, то результатом выполнения любого запроса на выборку является таблица, и поэтому концептуально можно относиться к любому представлению как к таблице (при определении представления можно, в частности, присвоить имена полям этой таблицы). В языке допускается использование ранее определенных представлений практически везде, где допускается использование таблиц (с некоторыми ограничениями по поводу возможностей модификации базы данных через представления). Наличие возможности определять представления в совокупности с развитой системой авторизации позволяет ограничить доступ некоторых пользователей к базе данных выделенным набором представлений.

Авторизация доступа к базе данных основана также на средствах SQL. При создании любого объекта базы данных выполняющий эту операцию пользователь становится полновластным владельцем этого объекта, т.е. может выполнять по отношению к этому объекту любую функцию из предопределенного набора. Далее этот пользователь может выполнить оператор SQL, производящий передачу всех его прав на этот объект (или их подмножества) любому другому пользователю. В частности, этому пользователю может быть передано право на передачу всех переданных ему прав (или их части) третьему пользователю и т.д. Одним из прав пользователя по отношению к объекту является право на изъятие у других пользователей всех или некоторых прав, которые ранее им были переданы. Эта операция распространяется транзитивно на всех дальнейших наследников этих прав.

Наличие в языке средств определения представлений и авторизации в принципе позволяет обойтись при эксплуатации System R без традиционного администратора баз данных, поскольку практически все системные действия производятся на основе средств SQL. Тем не менее если организационно администратор баз данных требуется, то его работа достаточно упрощается за счет унифицированного набора средств управления. Кроме того, в System R каталоги баз данных поддерживаются также в виде таблиц, и к ним применены все запросы языка SQL. Заметим, что в коммерческих СУБД появился ряд дополнительных утилит, не связанных с языком SQL (например, утилиты сбора статистики или массовой загрузки базы данных), и в этих системах, видимо, без администратора базы данных не обойтись.

Что касается обеспечения параллельной работы многих пользователей с одной базой данных, то основной подход System R состоит в том, что пользователь не обязан знать о наличии других, конкурирующих с ним за доступ к базе данных, пользователей, т.е. система ответственна за обеспечение изолированности пользователей с гарантией их взаимного невлияния в пределах транзакций. Из этого следует, во-первых, что в интерфейсе пользователя с системой (т.е. в языке SQL) не должно быть средств регулирования взаимодействий с другими пользователями и, во-вторых, что система должна обеспечить автоматическую сериализацию набора транзакций, т.е. обеспечить режим выполнения этого набора транзакций, эквивалентный по конечному результату некоторому последовательному выполнению этих транзакций. Эта проблема решается в System R за счет автоматического выполнения синхронизационных захватов (многие предпочитают использовать термин "блокировка") по отношению ко всем измененяемым объектам базы данных. Имеется ряд тонкостей, связанных с такой синхронизацией, на которых мы остановимся ниже.

Одним из основных требований к СУБД, вообще, и к System R, в частности, является обеспечение надежности баз данных по отношению к различного рода сбоям. К таким сбоям могут относиться программные ошибки прикладного и системного уровня, сбои процессора, поломки внешних носителей и т.д. В частности, к одному из видов сбоев можно отнести упоминавшиеся выше нарушения целостности базы данных и автоматический, инициируемый системой откат транзакции - это системное средство восстановления базы данных после сбоев такого рода. Как мы отмечали, восстановление происходит путем обратного выполнения транзакции на основе информации о внесенных ею изменениях, зафиксированных в журнале. На информации журнала основано восстановление базы данных и после сбоев другого рода. Управление журнализацией и восстановлением в System R весьма интересно, применяемые методы в ряде случаев отличаются от методов, используемых в других СУБД.

Что касается естественных требований к эффективности системы, то здесь основные решения связаны со спецификой физической организации баз данных на внешней памяти, буферизацией используемых страниц базы данных в оперативной памяти и развитой техникой оптимизации запросов, сформулированных на SQL, производимой на стадии их компиляции.

Структурная организация System R вполне согласуется с поставленными при ее разработке целями и выбранными решениями. Основными структурными компонентами System R являются система управления реляционной памятью (Relational Storage System - RSS) и компилятор запросов языка SQL. RSS обеспечивает интерфейс довольно низкого, но достаточного для реализации SQL уровня для доступа к хранимым данным. Синхронизация транзакций, журнализация изменений и восстановление баз данных после сбоев также относятся к числу функций RSS. Компилятор запросов использует интерфейс RSS для доступа к разнообразной справочной информации (каталоги отношений, индексов, прав доступа, условий целостности, условных воздействий и т.д.) и производит рабочие программы, выполняемые в дальнейшем также с использованием интерфейса RSS. Таким образом, система естественно разделяется на два уровня: уровень управления памятью и синхронизацией, фактически, не зависящий от базового языка запросов системы, и языковой уровень (уровень SQL), на котором решается большинство проблем System R. Заметим, что эта независимость скорее условная, чем абсолютная: язык SQL можно заменить на другой язык, но он должен обладать примерно такой же семантикой.

Далее мы последовательно рассмотрим особенности организации RSS, процесс компиляции и оптимизации запросов и технику выполнения откомпилированных транзакций (включая отмеченную выше возможность динамической компиляции запросов).

Организация внешней памяти в базах данных System R

Как мы отмечали, база данных System R располагается в одном или нескольких сегментах внешней памяти. Каждый сегмент состоит из страниц данных и страниц индексной информации. Размер страницы данных в сегменте может быть выбран равным либо 4, либо 32 Кбайтам; размер страницы индексной информации равен 512 байтам. Кроме того, при работе RSS поддерживается дополнительный набор данных для ведения журнала. Для повышения надежности журнала (а это наиболее критичная информация; при ее потере восстановление базы данных после сбоев невозможно) этот набор данных дублируется на двух внешних носителях.

В каждой странице данных хранятся кортежи одного или нескольких отношений. Фундаментальным понятием RSS является идентификатор кортежа (tuple identifier - tid). Гарантируется неизменяемость tid"а во все время существования кортежа в базе данных независимо от перемещений кортежа внутри страницы и даже при перемещении кортежа в другую страницу. Реально tid представляет собой пару <номер страницы, индекс описателя кортежа в странице>. При этом кортеж может реально располагаться в этой странице или в другой странице:

Во втором случае описатель кортежа содержит не координаты кортежа в данной странице, а tid, указывающий на реальное положение кортежа в другой странице. Легко видеть, что применение такого подхода позволяет ограничиться максимум одним уровнем косвенности.

Поскольку допускается нахождение в одной странице данных кортежей разных отношений, каждый кортеж должен кроме содержательной части включать служебную информацию, идентифицирующую отношение, которому принадлежит данный кортеж. Кроме того, в System R (точнее, в языке SQL) допускается динамическое добавление полей к существующим отношениям. При этом реально происходит лишь модификация описателя отношения в отношении-каталоге отношений. В существующем кортеже отношения новое поле возникает только при модификации этого кортежа, затрагивающей новое поле. Это позволяет избежать массовой перестройки хранимого отношения при добавлении к нему новых полей, но, естественно, требует хранения при кортеже дополнительной служебной информации, определяющей реальное число полей в данном кортеже. (Заметим, что удалять существующие поля существующего отношения в SQL System R не разрешается.)

На основе наличия неизменяемых во время существования кортежей tid'ов в System R поддерживаются дополнительные управляющие структуры - индексы. Каждый индекс определен на одном или нескольких полях отношения, значения которых составляют его ключ, и позволяет производить прямой поиск по ключу кортежей (их tid'ов) и последовательное сканирование отношения по индексу, начиная с указанного ключа, в порядке возрастания или убывания значений ключа. Некоторые индексы при их создании могут обладать атрибутом уникальности. В таком индексе не допускаются дубликаты ключа. Это единственное средство SQL указания системе первичного ключа отношения (фактически, набора первичного и всех альтернативных ключей отношения).

Для организации индексов в System R применяется техника B-деревьев. Каждый индекс занимает отдельный набор страниц, номер корневой страницы запоминается в описателе индекса. Использование B-деревьев позволяет достичь эффективности при прямом поиске, поскольку они в силу своей сильной ветвистости обладают небольшой глубиной. Кроме того, B-деревья сохраняют порядок ключей в листовых блоках иерархии, что позволяет производить последовательное сканирование отношения в порядке возрастания или убывания значений полей, на которых определен индекс. Автоматическая балансировка дерева - фундаментальное свойство B-деревьев - допускает произведение лишь локальных модификаций индекса при переполнениях и опустошениях страниц индекса. (Мы достаточно вольно используем здесь термин B-дерево. На самом деле, в System R используется модифицированный, по сравнению с исходным, вариант B-деревьев, который называют B*-, а иногда B+-деревьями.) В самих B-деревьях System R ничего особенного нет - более подробно мы на этом останавливаться не будем. Отметим только, что System R, насколько нам известно, была первой системой, в которой для организации индексов использовались B-деревья. Эту традицию соблюдает большинство реляционных систем, возникших после System R.

Видимо, наиболее важной особенностью физической организации баз данных в System R является возможность обеспечения кластеризации связанных кортежей одного или нескольких отношений. Под кластеризацией кортежей понимается физически близкое расположение (в пределах одной страницы данных) логически связанных кортежей. Обеспечение соответствующей кластеризации позволяет добиться высокой эффективности системы при выполнении выделенного класса запросов. В силу большой важности понятия "кластеризация" в System R и ее последующих эволюциях рассмотрим историю вопроса более подробно.

В окончательном варианте System R существует только одно средство определения условий кластеризации отношения - объявить до заполнения отношения один (и только один) индекс, определенный на полях этого отношения, кластеризованным. Тогда, если заполнение отношения кортежами производится в порядке возрастания или убывания значений полей кластеризации (в зависимости от атрибутики индекса), система физически располагает кортежи в страницах данных в том же порядке. Кроме того, в каждой странице данных кластеризованного отношения оставляется некоторое резервное свободное пространство. При последующих вставках кортежей в такое отношение система стремится поместить каждый кортеж в одну из страниц данных, в которых уже находятся кортежи этого отношения с такими же (или близкими) значениями полей кластеризации. Естественно, что поддерживать идеальную кластеризацию отношения можно только до определенного предела, пока не исчерпается резервная память в страницах. Далее этого предела степень кластеризации отношения начинает уменьшаться, и для восстановления идеальной кластеризации отношения требуется физическая реорганизация отношения (ее можно произвести средствами SQL).

Очевидным преимуществом кластеризации отношения является то, что при последовательном сканировании кластеризованного отношения с использованием кластеризованного индекса потребуется ровно столько чтений страниц данных с внешней памяти, сколько страниц занимают кортежи этого отношения. Следовательно, при правильно выбранных критериях кластеризации запросы, связанные с заданием условий на полях кластеризации, можно выполнить почти оптимально.

В ранних версиях System R существовал еще один способ физического доступа к кортежам отношения и, соответственно, еще один способ указания условия кластеризации с использованием так называемых связей (links). На уровне физического представления связь - это физическая ссылка (tid) из одного кортежа на другой (не обязательно одного отношения). В языке SEQUEL (до того момента, когда его стали называть SQL) существовали средства определения связей в иерархической манере: можно было объявить некоторое отношение родительским по отношению к тому же или другому отношению-потомку. При этом указывались поля родительского отношения и отношения-потомка, в соответствии со значениями которых образовывалась иерархия. Правила построения были очень простыми: проводились связи между кортежем родительского отношения ко всем кортежам отношения-потомка с теми же значениями полей связывания. На самом деле, все кортежи отношения-потомка с общим значением полей связывания образовывали кольцевой список, на который проводилась одна связь из соответствущего кортежа родительского отношения. Естественно, в отношении-родителе значения полей связывания должны были быть уникальны.

Следует заметить, что мы описали способ использования механизма связей, который поддерживался в ранних версиях SEQUEL. В интерфейсе RSS System R этого периода допускалась возможность произвольного проведения связей без учета совпадения значений полей связывания. Тем самым, в системе в целом не использовались все возможности RSS, которые с избытком превосходили потребности организации иерархических бинарных связей по совпадению полей связывания.

Для одного отношения допускалось создание многих связей: кортеж отношения мог быть родителем нескольких иерархий и входить в несколько других иерархий в качестве потомка. При этом одна связь могла быть объявлена кластеризованной. Тогда система стремилась поместить в одну страницу данных все кортежи одной иерархии. При этом, естественно, использовалась возможность размещения в одной странице данных кортежей нескольких отношений. Основной смысл такой кластеризации заключался в возможности оптимизации выполнения некоторых запросов, включающих (экви-)соединение двух связанных отношений в соответствии со значениями полей связывания.

В более поздних публикациях по System R упоминания о механизме связей исчезли, из чего можно заключить, что разработчики отказались от его использования. Думается, что основными причинами отказа от использования связей были следующие. Во-первых, средства построения связей, обеспечиваемые RSS, были очень низкого уровня, гораздо более низкого, чем средства поддержания индексов. Если при занесении кортежа RSS обеспечивала автоматическую коррекцию всех индексов, то для коррекции связей требовалось выполнить ряд дополнительных обращений к RSS, из-за чего время выполнения операции занесения кортежа, конечно, увеличивалось (то же касается операций удаления и модификации кортежа). Во-вторых, при реализации этого механизма, возникают дополнительные синхронизационные проблемы нижнего уровня (уровня совместного доступа к страницам данных). В частности, наличие прямых ссылок между страницами данных увеличивает вероятность возникновения синхронизационных тупиков. Наконец, в-третьих, все эти дополнительные накладные расходы не окупались предоставляемыми механизмом связей преимуществами. Действительно, максимального эффекта от использования связей можно достичь только при выполнении операции соединения двух кластеризованных по этой связи отношений, если поле соединения совпадает с полем связывания, и условия, накладываемые на родительское отношение, выделяют в нем ровно один кортеж. Очевидно, что такие запросы на практике редки. (Отметим, что приведенные соображения принадлежат автору и не излагались в публикациях по System R, так что на самом деле причины могли быть и другими.)

Кроме отношений и индексов, при работе System R во внешней памяти могут располагаться еще и временные объекты - списки (lists). Список - это мгновенный снимок некоторой выборки с проекцией кортежей одного отношения, возможно, упорядоченный в соответствии со значениями некоторых полей. Средства работы со списками имеются в интерфейсе RSS, но их, естественно, нет в SQL. Соответственно, эти средства используются только внутри системы при выполнении запросов (в частности, один из наиболее эффективных алгоритмов выполнения соединений основан на использовании отсортированных списков кортежей). Публикации по System R не дают точного представления о структурах данных, используемых при организации списков, но, исходя из здравого смысла, можно предположить, что они устроены не так, как отношения (например, для кортежа, входящего в список, не требуется адресация через tid), и что располагаются они во временных файлах (в случае сбоя системы все временные объекты пропадают).

Интерфейс RSS

Мы опишем свое представление об интерфейсе RSS, которое не соответствует в точности ни одной из публикаций из приведенного списка литературы, а является, скорее, некоторой компиляцией, согласующейся с завершающими публикациями.

Как мы уже отмечали, на уровне RSS отсутствует именование объектов базы данных, употребляемое на уровне SQL. Вместо имен объектов используются их уникальные идентификаторы, являющиеся прямыми или косвенными адресами внутренних описателей объектов во внешней памяти для постоянных объектов или в оперативной памяти для временных объектов.

Можно выделить следующие группы операций:

  • операции сканирования отношений и списков;
  • операции создания и уничтожения постоянных и временных объектов базы данных;
  • операции модификации отношений и списков;
  • операция добавления поля к отношению;
  • операции управления прохождением транзакции;
  • операция явной синхронизации.

Операции группы сканирования позволяют последовательно в порядке, определяемом типом сканирования, прочитать кортежи отношения или списка, удовлетворяющие требуемым условиям. Группа включает операции OPEN, NEXT и CLOSE, означающие, соответственно, начало сканирования, требование следующего кортежа, удовлетворяющего условиям, и конец сканирования.

Для отношений возможны два режима сканирования: в порядке, определенном системой, и по индексу. При сканировании отношения в порядке, определенном системой, единственным параметром операции OPEN является идентификатор отношения (включающий, кстати, и идентификатор сегмента, в котором это отношение хранится). По причине того, что в System R допускается размещение в одной странице данных кортежей нескольких отношений, этот тип сканирования предполагает последовательный просмотр всех страниц сегмента с выделением в них кортежей, входящих в данное отношение; это очень дорогой способ сканирования отношения. Порядок выборки кортежей определяется их физическим размещением в страницах сегмента, т.е. предопределен системой.

При открытии сканирования отношения по одному из его индексов в число параметров операции OPEN входит идентификатор индекса, определенного ранее на полях этого отношения. Кроме того, можно указать диапазон сканирования в терминах значений полей, составляющих ключ индекса. При открытии сканирования по индексу производится начальная установка указателя сканирования в позицию листа B-дерева индекса, соответствующую левой границе заданного диапазона. Процесс сканирования состоит в последовательном продвижении по листовым вершинам индекса до достижения правой границы диапазона сканирования с выборкой tid"ов и чтением соответствующих кортежей. Легко видеть, что если сканирование производится не по кластеризованному индексу, то в худшем случае может потребоваться столько чтений страниц данных из внешней памяти, сколько tid"ов было встречено, т.е. эффективность сканирования по индексу определяется "шириной" заданного диапазона сканирования. При этом, конечно, имеется то преимущество, что порядок сканирования соответствует порядку возрастания или убывания значений ключа индекса.

Наконец, при сканировании списка, как и при сканировании по отношению, единственным параметром операции OPEN является идентификатор списка, но, в отличие от сканирования по отношению, это сканирование максимально эффективно: читаются только страницы, содержащие кортежи из данного списка, и порядок сканирования совпадает с порядком занесения кортежей в список или порядком списка, если он упорядочен.

В результате успешного выполнения операции открытия сканирования (если нет ошибок в параметрах) вырабатывается и возвращается идентификатор сканирования, который используется в качестве входного параметра других операций этой группы.

Операция NEXT выполняет чтение следующего кортежа указанного сканирования, удовлетворяющего условиям данной операции. Условие представляет собой дизъюнктивную нормальную форму простых условий, относящихся к значениям указанных полей отношения. Простое условие - это условие вида <идентификатор-поля op константа>, где op - операция сравнения <, <=, >, >=, = или !=. Общее условие является параметром операции NEXT. Семантика операции NEXT следующая: начиная с текущей позиции сканирования, выбираются кортежи отношения в порядке, определяемом типом сканирования, до тех пор, пока не встретится кортеж, значения полей которого удовлетворяют указанному условию. Этот кортеж и является результатом операции. Если при выборке следующего кортежа достигается правая граница диапазона сканирования (правая граница значения ключа при сканировании по индексу или последний кортеж отношения или списка при сканировании без индекса), вырабатывается особый код ответа. После этого единственным разумным действием является закрытие сканирования, т.е. операция CLOSE.

Операция CLOSE может быть выполнена в конкретной транзакции по отношению к любому ранее открытому сканированию независимо от его состояния (т.е. независимо от того, достигнута ли правая граница диапазона сканирования). Параметром операции является идентификатор сканирования, и ее выполнение приводит к тому, что этот идентификатор становится недействительным (и, соответственно, уничтожаются служебные структуры памяти RSS, относящиеся к данному сканированию).

Группа операций создания и уничтожения постоянных и временных объектов базы данных включает операции создания таблиц (CREATE TABLE), списков (CREATE LIST), индексов (CREATE IMAGE) и уничтожения любого из подобных объектов (DROP TABLE, DROP LIST и DROP IMAGE). Входным параметром операций создания таблиц и списков является спецификатор структуры объекта, т.е. число полей объекта и спецификаторы их типов. Кроме того, при спецификации полей отношения указывается допущение или недопущение неопределенных значений полей в кортежах этого отношения или списка (неопределенные значения кодируются специальным образом; в RSS любая операция сравнения константы данного типа с неопределенным значением по определению вырабатывает значение FALSE, кроме операции сравнения на совпадение со специальной литеральной константой NULL). В результате выполнения этих операций заводится описатель в служебном отношении описателей отношений или оперативной памяти (в зависимости от того, создается ли постоянный объект или временный) и вырабатывается идентификатор объекта, который служит входным параметром других операций, относящихся к соответствующему объекту (в частности, параметром операции OPEN при открытии сканирования объекта).

Входными параметрами операции CREATE IMAGE являются идентификатор таблицы, для которой создается индекс, список номеров полей, значения которых составляют ключ индекса, и признаки упорядочения по возрастанию или убыванию для всех составляющих ключ полей. Кроме того, может быть указан признак уникальности индекса, т.е. запрещения наличия в данном индексе ключей-дубликатов. Если операция выполняется по отношению к пустой в этот момент таблице, то выполнение операции так же просто, как и для операции создания таблиц и списков: создается описатель в служебном отношении описателей индексов и возвращается идентификатор индекса (который, в частности, используется в качестве входного параметра операции открытия сканирования отношения по индексу).

Если же к моменту создания индекса соответствующая таблица является заполненной (а это допускается), то операция становится существенно более дорогостоящей, поскольку при ее выполнении происходит реальное создание B-дерева индекса, что требует, по меньшей мере, одного последовательного просмотра отношения. При этом, если создаваемый индекс имеет признак уникальности, то это контролируется при создании B-дерева, и если уникальность нарушается, то операция не выполняется (т.е. индекс не создается). Из этого следует, что хотя создание индексов в динамике не запрещается, более эффективно создавать все индексы на данной таблице до ее заполнения. Заметим, что создание кластеризованного индекса для непустого отношения запрещено, поскольку соответствующую кластеризацию отношения без его реструктуризации получить невозможно.

Операции DROP TABLE, DROP LIST и DROP IMAGE могут быть выполнены в любой момент независимо от состояния объектов. Выполнение операции приводит к уничтожению соответствующего объекта и, вследствие этого, недействительности его идентификатора.

Следует отметить, что массовые операции над постоянными объектами (CREATE IMAGE, DROP TABLE и DROP IMAGE) требуют дополнительных накладных расходов в связи с необходимостью обеспечения возможности откатов транзакции, в результате чего требуется выполнение массовых обратных действий. Особенно сильно это затрагивает операцию уничтожения непустых таблиц, поскольку требует журнализации всех содержащихся в них к моменту уничтожения кортежей. Поэтому, хотя уничтожение непустых таблиц и не запрещено, нужно иметь в виду, что это очень дорогостоящая операция.

Группа операций модификации отношений и списков включает операции вставки кортежа в отношение или список (INSERT), удаления кортежа из отношения (DELETE) и модификации кортежа в отношении (UPDATE).

Параметрами операции вставки кортежа являются идентификатор отношения или списка и набор значений полей кортежа. Среди значений полей могут быть литеральные неопределенные значения NULL. Естественно, при выполнении операции контролируется допустимость неопределенных значений в соответствующих полях. При занесении кортежа в кластеризованное отношение поиск места в сегменте под кортеж производится с использованием кластеризованного индекса: система пытается вставить кортеж в страницу данных, уже содержащую кортежи с теми же или близкими значениями полей кластеризации. При занесении кортежа в некластеризованное отношение место под кортеж выделяется в первой подходящей странице данных. Наконец, при вставке кортежа в список он помещается в конец списка.

При занесении кортежа в постоянное отношение производится коррекция всех индексов, определенных на этом отношении. Реально это выражается во вставке новой записи во все B-деревья индексов. При этом могут произойти переполнения одной или нескольких страниц индекса, что вызовет направление части записей в соседние страницы или расщепление страниц. Если индекс определен с атрибутом уникальности, то проверяется соблюдение этого условия, и если оно нарушено, операция вставки считается невыполненной. Из этого следует, что операция вставки кортежа тем более накладна, чем больше индексов определено для данной таблицы (это относится и к операциям удаления и модификации кортежей).

В результате успешного выполнения операции вставки кортежа в отношение вырабатывается tid нового кортежа, который сообщается в качестве ответного параметра и может быть в дальнейшем использован как прямой параметр операций удаления и модификации кортежей отношения. При занесении кортежа в список значение tid"а не вырабатывается (списки допускают только последовательное сканирование и добавление новых кортежей в конец, над списками нельзя определить индексы, поэтому косвенная адресация кортежей списков через tid"ы не требуется).

Операции удаления и модификации кортежей допускаются только для кортежей постоянных таблиц. Естественно, что для выполнения этих операций необходимо идентифицировать соответствующий кортеж. Интерфейс RSS допускает два способа такой идентификации: с помощью tid"а кортежа (явная адресация) и с использованием идентификатора открытого к этому времени сканирования. Первый вариант возможен, поскольку tid кортежа сообщается как ответный параметр операции занесения кортежа в постоянную таблицу. При идентификации кортежа с помощью идентификатора сканирования имеется в виду кортеж, прочитанный с помощью последней операции NEXT. Если при такой идентификации выполнена операция DELETE или UPDATE, задевающая порядок сканирования (т.е. сканирование ведется по индексу и операция модификации меняет поле кортежа, входящее в состав ключа этого индекса), то текущий кортеж сканирования теряется и его идентификатор нельзя использовать для идентификации кортежа до выполнения следующей операции NEXT.

Единственным параметром операции DELETE является идентификатор кортежа (tid или идентификатор сканирования). Параметры операции UPDATE включают кроме этого идентификатора спецификацию изменяемых полей кортежа (список номеров полей и их новых значений). Среди значений могут находиться литеральные обозначения неопределенных значений, если соответствующие поля отношения допускают хранение неопределенных значений.

При выполнении операции DELETE производится коррекция всех индексов, определенных на данном отношении. Операция UPDATE также может повлечь коррекцию индексов, если затрагивает поля, входящие в состав их ключей.

Кроме описанных "атомарных" операций сканирования и модификации таблиц и списков интерфейс RSS включает одну "макрооперацию", позволяющую за одно обращение к RSS построить отсортированный по значением заданных полей список. Эта операция - BUILDLIST - включает сканирование заданного отношения или списка, создание нового списка, в который включаются указанные поля выбираемых кортежей, и сортировку построенного списка в соответствии со значениями указанных полей. Идентификатор заново построенного отсортированного списка является ответным параметром операции.

Соответственно, параметрами операции BUILDLIST являются набор параметров для открытия сканирования (допускается любой способ сканирования), список номеров полей, составляющих кортежи нового списка, и список номеров полей, по которым нужно производить сортировку (как и в случае создания нового индекса, можно отдельно для каждого из этих полей указать требование к сортировке по возрастанию или убыванию значений данного поля). Отдельным параметром операции BUILDLIST является признак, в соответствии со значением которого допускаются или не допускаются кортежи-дубликаты в новом списке. Забегая вперед, заметим, что допущение или недопущение дубликатов в отсортированном списке зависит от того, для каких целей он строится. Например, если список строится для выполнения операции соединения, то дубликатов в нем быть не должно. Если же список строится для вычисления агрегатных функций (COUNT, AVG и т.д.), то дубликаты из него убирать нельзя. Более подробно мы рассмотрим этот и близкие вопросы в связи с проблемами оптимизации запросов в System R.

Операция RSS добавления поля к существующему отношению позволяет в динамике изменять схему таблицы. Параметрами операции CHANGE являются идентификатор существующей таблицы и спецификация нового поля (его тип). При выполнении операции изменяется только описатель данного отношения в служебном отношении описателей отношений. Как мы уже отмечали в предыдущем подразделе, до выполнения первой операции UPDATE, затрагивающей новое поле таблицы, реально ни в одном кортеже таблицы память под новое поле выделяться не будет. По умолчанию значения нового поля во всех кортежах таблицы, в которые еще не производилось явное занесение значения, считаются неопределенными. Тем самым ни для одного поля, динамически добавленного к существующей таблице, не может быть запрещено хранение неопределенных значений.

Каждая операция RSS выполняется в пределах некоторой транзакции. Интерфейс RSS включает набор операций управления прохождением транзакции: начать транзакцию (BEGIN TRANSACTION), закончить транзакцию (END TRANSACTION), установить точку сохранения (SAVE) и выполнить откат до указанной точки сохранения или до начала транзакции (RESTORE).

Мы не отмечали этого раньше, но на самом деле при обращении к любой функции RSS, кроме BEGIN TRANSACTION, должен указываться еще один параметр - идентификатор транзакции. Этот идентификатор вырабатывается при выполнении операции BEGIN TRANSACTION, которая сама входных параметров не требует.

В любой точке транзакции до выполнения операции END TRANSACTION может быть выполнен откат данной транзакции, т.е. обратное выполнение всех изменений, произведенных в данной транзакции, и восстановление состояния сканов (этим, возможно, неудачным термином мы обозначаем объекты RSS, соответствующие действующим идентификаторам сканирования). Откат может быть произведен до начала транзакции (в этом случае о восстановлении состояния сканов говорить бессмысленно) или до установленной ранее в транзакции точки сохранения.

Точка сохранения устанавливается с помощью операции SAVE. При выполнении этой операции запоминается состояние сканов данной транзакции, открытых к моменту выполнения SAVE, и координаты последней записи в журнале, произведенной от имени данной транзакции об изменениях в базе данных. Ответным параметром операции SAVE (а прямых параметров, кроме идентификатора транзакции, она не требует) является идентификатор точки сохранения. Этот идентификатор в дальнейшем может быть использован как прямой параметр операции RESTORE, при выполнении которой производится восстановление базы данных по журналу, с использованием записей о ее изменениях от данной транзакции до того состояния, в котором находилась база данных к моменту установления указанной точки сохранения. Кроме того, по локальной информации в оперативной памяти, привязанной к транзакции, восстанавливается состояние действующих сканов транзакции. Откат к началу транзакции инициируется также обращением к операции RESTORE, но с указанием идентификатора точки сохранения.

При выполнении своих транзакций пользователи System R изолированы один от другого, т.е. не ощущают того, что система функционирует в многопользовательском режиме. Это достигается за счет наличия в RSS механизма неявной синхронизации (более подробно это мы обсудим в следующем подразделе). Пока заметим лишь, что до конца транзакции никакие изменения базы данных, произведенные в пределах этой транзакции, не могут быть использованы в других транзакциях (попытка использования таких данных приводит к временным синхронизационным блокировкам этих транзакций). При выполнении операции END TRANSACTION происходит фиксация (commit) изменений, произведенных в данной транзакции, т.е. они становятся видимыми в других транзакциях. Реально это означает снятие синхронизационных захватов с объектов базы данных, изменявшихся в транзакции. Из этого следует, что после выполнения END TRANSACTIN невозможны индивидуальные откаты данной транзакции. RSS просто делает недействительным идентификатор данной транзакции и после выполнения операции окончания транзакции отвергает все операции с таким идентификатором.

Последняя операция интерфейса RSS - операция явной синхронизации LOCK. Эта операция позволяет установить явный синхронизационный захват указанного отношения (параметром операции является идентификатор таблицы). Выполнение операции LOCK гарантирует, что никакая другая транзакция до конца данной не сможет изменить данное отношение (вставить в него новый кортеж, удалить или модифицировать существующий), если установлен захват отношения в режиме чтения, или даже прочитать любой кортеж этого отношения, если установлен захват в режиме изменения.

Из всего, что говорилось раньше по поводу подхода к синхронизации в System R и соответствующего разбиения системы на уровни, следует нелогичность присутствия этой операции в интерфейсе RSS. На самом деле, логически эта операция избыточна, т.е. если бы ее не было, было бы возможно вполне реализовать SQL на оставшейся части операций. До изложения материала следующего подраздела об этом трудно говорить, но предварительно заметим, что операция LOCK введена в интерфейс RSS для возможности оптимизации выполнения запросов. Дело в том, что, как видно из описания интерфейса, он - покортежный. Следовательно, и информация для синхронизации носит достаточно узкий характер. В то же время на уровне SQL имеется более полная информация. Например, если обрабатывается предложение SQL DELETE FROM EMP, то известно, что будут удалены все кортежи указанной таблицы. Понятно, что как бы не реализовывался механизм синхронизации в RSS, в данном случае выгоднее сообщить сразу, что изменения касаются всего отношения. Но, снова забегая вперед, заметим, что ситуации в компиляторе SQL, когда очевидна выгода от использования явной синхронизации, достаточно редки. Пользоваться этим средством можно только очень осмотрительно, потому что неоправданные захваты таких крупных объектов могут резко ограничить степень асинхронности выполнения транзакций.

Синхронизация в System R

System R с самого начала задумывалась как многопользовательская система, обеспечивающая режим мультидоступа к базам данных. Поэтому вопросам синхронизации доступа всегда уделялось очень большое внимание. Разработчики System R сформулировали и частично решили многие проблемы синхронизации; соответствующие публикации давно стали классикой, и на них ссылаются практически во всех работах, связанных с синхронизацией в системах управления базами данных. Мы постараемся привести историческую ретроспективу решений в области синхронизации в System R. Предварительно заметим, что вопросы синхронизации находятся в тесной связи с вопросами журнализации изменений и восстановления состояния базы данных.

Начнем с рассмотрения целей, которыми руководствовались разработчики System R при выработке своего подхода к синхронизации. Дело в том, что начальной целью синхронизации операций было не обеспечение изолированности пользователей, а поддержка средств обеспечения логической целостности баз данных. Как мы отмечали во введении, логическая целостность баз данных System R поддерживается на основе наличия ранее сформулированных и зафиксированных в каталогах базы данных ограничений целостности. В конце каждой транзакции или при выполнении явного предложения SQL проверяется ненарушение ограничений целостности изменениями, произведенными в данной транзакции. Если обнаруживается нарушение ограничений целостности, то с помощью операции RSS RESTORE производится откат транзакции, нарушившей ограничения.

Для того чтобы можно было корректно выполнить такой откат, необходимо, чтобы до конца транзакции объекты базы данных, изменявшиеся транзакцией, не могли изменяться другими транзакциями. В противном случае возникает так называемая проблема потерянных изменений. Действительно, пусть транзакция 1 изменяет некоторый объект базы данных A. Затем другая транзакция 2 также изменяет объект A, после чего производится откат транзакции 1 (по причине, например, нарушения ею ограничений целостности). Тогда при следующем чтении объекта A транзакция 2 увидит его состояние, отличное от того, в которое он перешел в результате его изменения транзакцией 2.

Исходный постулат System R звучит так - потерянные изменения допускать нельзя, и обеспечение этого - минимальное требование к системе синхронизации. Соответствующий режим выполнения транзакций называется в System R первым уровнем совместимости транзакций. Это наиболее низкий уровень синхронизации, вызывающий минимальные накладные расходы в системе. Технически, синхронизация на первом уровне совместимости предполагает долговременные (до конца транзакции) синхронизационные захваты изменяемых объектов базы данных и отсутствие каких-либо захватов для читаемых объектов.

С точки зрения обеспечения логической целостности баз данных, первый уровень совместимости вполне удовлетворителен, но вызывает некоторые проблемы внутри транзакций. Основная проблема - возможность чтения "грязных" данных. Действительно, читающая транзакция абсолютно не синхронизуется с изменяющими транзакциями, и поэтому в ней может быть прочитано некоторое промежуточное, с логической точки зрения, состояние объекта (мы подчеркиваем, что "грязным" объект может быть только на логическом уровне; физическую согласованность в базе данных поддерживает другой, "физический" уровень синхронизации RSS, на котором мы остановимся позже).

Следующий, второй уровень совместимости транзакций System R обеспечивает отсутствие "грязных" данных. Технически, синхронизация на втором уровне совместимости предполагает долговременные синхронизационные захваты (до конца транзакции) изменяемых объектов и кратковременные (на время выполнения операции) захваты читаемых объектов.

Второй уровень совместимости транзакций System R гарантирует отсутствие "грязных" данных, но не свободен от еще одной проблемы - неповторяющихся чтений. Если транзакция два раза (подряд или с некоторым временным промежутком) читает один и тот же объект базы данных, то состояние этого объекта может быть разным при разных чтениях, поскольку в промежутке между ними (а он может возникнуть, даже если чтения идут в транзакции подряд) другая транзакция может модифицировать объект. Эту проблему решает третий уровень совместимости транзакций System R, являющийся тем самым уровнем максимальной изолированности пользователей, о котором мы говорили раньше. Технически, синхронизация на третьем уровне совместимости предполагает долговременные (до конца транзакции) синхронизационные захваты всех объектов, читаемых и изменяемых в данной транзакции.

В начальных версиях System R обеспечивались все перечисленные уровни совместимости транзакций. Соответственно, существовали параметры операции RSS BEGIN TRANSACTION, определявшие уровень совместимости данной транзакции. Однако уже первый опыт использования System R показал, что наиболее часто применяем третий уровень совместимости. При этом существовали приложения, которые устраивал первый уровень (в основном, приложения, связанные со статистической обработкой, в которых ошибки "грязных" данных исправлялись за счет большого числа чтений). Второй уровень совместимости оказался практически неприменимым. В результате в последних версиях разработчики оставили только третий уровень совместимости, и далее мы будем иметь в виду только его.

Поскольку интерфейс RSS - покортежный, то логично производить синхронизацию в RSS именно на уровне кортежей или, вернее, их уникальных идентификаторов - tid"ов. Заметим, однако, что если две или более транзакций читают один кортеж, то, с точки зрения синхронизации, это вполне допустимо, а если хотя бы одна транзакция изменяет кортеж, то она должна блокировать все остальные транзакции, выполняющие операции чтения или изменения данного кортежа. Из этого следует потребность в двух разных режимах захватов кортежей - совместном режиме (для чтения) и монопольном (для изменений). Следуя терминологии System R, далее мы будем называть эти режимы режимом S (совместным) и режимом X (монопольным). Естественно, формулируются правила совместимости захватов одного объекта в режимах S и X: захват режима S совместим с захватом режима S и несовместим с захватом режима X; захват режима X несовместим с захватом любого режима.

Соответственно, при чтении кортежа RSS прежде всего устанавливает захват этого кортежа в режиме S; при вставке, удалении или модификации кортежа - в режиме X. Если к этому моменту кортеж захвачен от имени другой транзакции в режиме, несовместимом с требуемым, транзакция, обратившаяся к RSS, блокируется, и требование захвата кортежа ставится в очередь до тех пор, пока не возникнут условия удовлетворения требуемого захвата, т.е. не будут сняты конфликтующие захваты с кортежа.

В принципе, режим покортежных захватов достаточен для удовлетворения требований, ранее сформулированных в этом подразделе. Следует отметить, что большинство реляционных систем баз данных и ограничиваются покортежными (или даже более грубыми, постраничными) захватами. Тем не менее в контексте System R синхронизация такого типа недостаточна.

Основной проблемой является возможность появления кортежей-фантомов при повторных сканированиях отношений в одной транзакции (даже на третьем уровне совместимости). Действительно, после первого сканирования все прочитанные кортежи будут захвачены в режиме S, из-за чего никакая другая транзакция не сможет удалить или модифицировать такие кортежи. Но ничто не мешает вставить в другой транзакции в то же отношение новый кортеж, значения полей которого удовлетворяют условиям сканирования первой транзакции. Тогда при повторном сканировании того же отношения с теми же условиями сканирования будет прочитан кортеж, которого не было при первом сканировании, т.е. появится кортеж-фантом.

Был предложен подход к решению проблемы фантомов на основе так называемых предикатных захватов. Идея подхода состоит в том, что при сканировании следует на самом деле захватывать не индивидуальные прочитанные кортежи, а все виртуальное множество кортежей, которые могли бы быть прочитаны при данном сканировании. Для этого достаточно "захватить" условие (предикат), которому должны удовлетворять все кортежи при данном сканировании. Например, если должны быть прочитаны кортежи отношения со значением поля a > 5, то захватывается предикат a > 5. Если некоторая другая транзакция выполняет операцию, например, вставки в то же отношение кортежа со значением поля a > 5, то предикатный захват, предшествующий реальному выполнению этой операции, должен конфликтовать с захватом первой транзакции и т.д.

Естественно, что чем более точно формулируется предикат, тем больше реальная параллельность выполнения транзакций в системе с предикатными захватами. С этой точки зрения, наибольшего уровня асинхронности можно было бы достичь, если допустить использование в качестве синхронизационных предикатов условий выборки, удаления или модификации языка SQL (или другого языка запросов высокого уровня). Но с другой стороны, чем более общий вид предикатов допускается, тем сложнее становится проблема обнаружения совместимости соответствующих захватов. Достаточно легко реализуется система предикатных захватов, в которой предикаты представляют собой логические выражения, состоящие из простых предикатов сравнения полей отношения с константными значениями. Разработчики System R не пошли и на такую систему, но некоторые идеи предикатных захватов использовали.

При наличии только покортежных захватов неясным остается вопрос синхронизации в RSS покортежных операций, операций создания и уничтожения отношений и индексов и добавления полей к существующему отношению. Непонятно, как сочетать покортежные захваты с возможностью явного захвата отношения и т.д. Очевидно, что общая система предикатных захватов такие проблемы снимает, но как мы уже отмечали, разработчики System R не пошли на ее реализацию. Вместо этого был разработан протокол иерархических гранулированных захватов (с некоторыми элементами предикатных захватов).

Основная идея состоит в том, что имеется некоторая иерархия памяти хранения кортежей: сегмент-отношение-кортеж. Объекты каждого уровня иерархии могут быть захвачены. Кроме того, можно захватывать указанный диапазон значений любого индекса. Набор возможных режимов захватов расширяется так называемыми целевыми (intented) захватами. Семантически, целевой захват "сложного" объекта (сегмента или отношения) означает намерение данной транзакции устанавливать целевые или обычные захваты на более низком уровне иерархии. Введены следующие типы целевых захватов: IX (intented to X), IS (intented to S) и SIX (shared, intented to X).

Захват объекта в режиме IX соответствует намерению транзакции производить захваты объектов ниже по иерархии в режимах IX или X. Захват объекта в режиме IS соответствует намерению транзакции производить захваты объектов ниже по иерархии в режимах IS или S. Наконец, захват объекта в режиме SIX соответствует захвату объекта в режиме S и намерению транзакции захватывать объекты ниже по иерархии в режиме X. Из этого следуют приведенные ниже правила совместимости захватов разных режимов.

Протокол синхронизации с использованием перечисленных режимов захватов следующий: чтобы захватить объект (например, кортеж отношения) в режиме S (X), нужно предварительно установить захваты в режиме IS (IX) соответствующих объектов выше по иерархии (в случае захвата кортежа - сегмента и отношения); при этом захваты должны устанавливаться, начиная от корня иерархии (в нашем случае - сначала для сегмента, затем для отношения и только потом для кортежа).

Очевидно, что протокол иерархических захватов решает проблему совместимости глобальных захватов сложного объекта (например, захватов отношения в режиме S) с захватами подобъектов этого объекта (кортежей). Но также очевидно, что протокол, вообще говоря, не решает проблему фантомов. Если отношение сканируется без использования индекса, то отсутствие фантомов можно гарантировать, если предварительно захватить все отношение в режиме S. Тогда, в соответствии с иерархическим протоколом, никакая другая транзакция не сможет занести в это отношение новый кортеж, потому что она будет блокирована при попытке захватить отношение в режиме IX (захваты отношения в режимах S и IX несовместимы). Можно, конечно, захватывать все отношение и при сканировании с использованием индекса. Таким образом можно решить проблему фантомов, но это очень неэффективное решение, потому что оно резко ограничивает возможности параллельного выполнения транзакций. Любая только читающая отношение транзакция конфликтует с любой транзакцией, изменяющей это отношение. С другой стороны, в RSS при сканировании отношения по индексу имеется дополнительная информация (диапазон сканирования), которая ограничивает множество кортежей, среди которых не должны возникать фантомы.

Исходя из этих соображений было предложено ввести в систему синхронизации элементы предикатных захватов. Заметим сначала, что технически захваты сегментов, отношений и кортежей трактуются единообразно, как захваты tid"ов. При захвате кортежа на самом деле захватывается его tid. При захвате сегмента или отношения в действительности захватывается tid описателя соответствующего объекта во внутренних отношениях описателей таких объектов (сегментов и отношений). Предлагалось расширить систему синхронизации, разрешив применять захваты к паре идентификатор индекса - интервал значений ключа этого индекса. К такой паре разрешено применять захваты в любом из допустимых режимов, причем два захвата совместимы в том и только в том случае, если они совместимы в соответствии с приведенной выше таблицей или указанные диапазоны значений ключей не пересекаются.

При наличии такой возможности, если открывается сканирование отношения по индексу, отношение захватывается в режиме IS, и в этом же режиме захватывается пара идентификатор индекса - диапазон сканирования. При занесении (удалении) кортежа отношение захватывается в режиме IX, и в этом же режиме для каждого индекса, определенного на данном отношении, захватывается пара идентификатор индекса - значение ключа из затрагиваемого операцией кортежа. Тогда читающие транзакции реально конфликтуют только с теми изменяющими транзакциями, которые затрагивают диапазон сканирования. При этом решается проблема фантомов, и асинхронность транзакций ограничивается "по существу", т.е. только тогда, когда их параллельное выполнение создает проблемы.

Заметим сразу, что описанное решение проблем синхронизации далеко от идеального. Во-первых, по-прежнему при сканировании отношения без использования индексов отсутствие фантомов можно гарантировать только при полном захвате всего отношения в режиме S. Во-вторых, даже при сканировании по индексу условие реальной выборки кортежа часто может быть строже простого указания диапазона сканирования, а это значит, что требуемый захват слишком сильный, т.е. охватывает более широкое множество кортежей, чем то, которое будет реальным результатом сканирования.

X

S

IX

IS

SIX

X

 нет нет нет нет нет

S

 нет

да

нет

да

 нет

IX

 нет

нет

да

да

 нет

IS

 нет

да

да

да

 нет
SIX нет нет

да

да

 нет

Видимо, по этим причинам, а также по причинам требуемого усложнения системы синхронизации, описанные средства борьбы с фантомами не были реализованы в System R (по крайней мере, это следует из заключительных публикаций). Более того, в силу половинчатости этого решения и слишком большого ограничения степени асинхронности разработчики отказались и от неявных захватов отношения в режиме S при сканировании без использования индексов. (Напомним, что возможность явного захвата отношения целиком осталась.) Тем самым, System R не гарантирует отсутствия фантомов при повторном сканировании отношения.

Опыт System R в области синхронизации оказал очень большое влияние на разработчиков реляционных СУБД во всем мире. Особенно это касается предложений по части предикатных захватов. В ряде существующих или проектируемых СУБД предикатные захваты составляют основу системы синхронизации, которая, конечно, при этом становится существенно более сложной, чем в System R.

В заключение данного подраздела кратко упомянем о еще одном уровне синхронизации, присутствующем в RSS, - уровне физической синхронизации. Мы уже отмечали, что после выполнения любой операции RSS оставляет базу данных в физически согласованном виде. Это означает, в частности, корректность всех межстраничных ссылок. Примерами таких ссылок могут быть ссылки между страницами B-деревьев индексов и т.д. Во время выполнения операций изменения (занесения, модификации или удаления кортежа) может возникать временная некорректность состояния страниц данных. Для того, чтобы каждая операция при начале своего выполнения имела корректную информацию, необходима дополнительная кратковременная синхронизация на уровне страниц. На время выполнения операции все необходимые страницы захватываются в режиме чтения или изменения. Захваты снимаются при окончании выполнения операции.

И последнее замечание. При синхронизации транзакций могут возникнуть тупиковые ситуации, когда две или более транзакции не могут продолжать свое выполнение по причине взаимных блокировок. RSS не предпринимает каких-либо действий по предотвращению тупиков. Вместо этого периодически проверяется состояние системы захватов на предмет обнаружения тупика, и если тупик обнаруживается, выбираются одна или несколько транзакций - жертв, для которых инициируется откат к началу или к ближайшей точке сохранения транзакции, гарантирующий разрушение тупика (при откате транзакции ее синхрозахваты снимаются). Выбор жертвы производится в соответствии с критериями минимальной стоимости проделанной транзакцией работы, которую придется повторить после отката. Мы не будем более подробно рассматривать схемы обнаружения и разрушения тупиков. Заметим лишь, что при обнаружении тупика применяется широко распространенная техника редукции графа ожидания с целью обнаружения в нем циклов, наличие которых и свидетельствует о наличии тупика.

Журнализация и восстановление в System R

Одно из основных требований к любой системе управления базами данных состоит в том, что СУБД должна надежно хранить базы данных. Это означает, что СУБД должна поддерживать средства восстановления состояния баз данных после любых возможных сбоев. К таким сбоям относятся индивидуальные сбои транзакций (например, деление на ноль в прикладной программе, инициировавшей выполнение транзакции); сбой процессора при работе СУБД (так называемые мягкие сбои) и сбои (поломки) внешних носителей, на которых расположены базы данных (жесткие сбои).

Ситуации, возникающие при сбоях каждого из отмеченных классов, различны и, вообще говоря, требуют разных подходов к организации восстановления баз данных. Индивидуальные сбои транзакций означают, что все изменения, произведенные в базе данных некоторой транзакцией, незаконны и их необходимо устранить. Для этого необходимо выполнить индивидуальный откат транзакции такого же типа, как при выполнении RSS явной операции RESTORE.

При возникновении мягкого сбоя системы утрачивается содержимое оперативной памяти. Восстановление состояния базы данных состоит в том, что после его завершения база данных должна содержать все изменения, произведенные транзакциями, закончившимися к моменту сбоя, и не должна содержать ни одного изменения, произведенного транзакциями, которые к моменту сбоя не закончились. Существенным аспектом ситуации является то, что состояние базы данных во внешней памяти не разрушено, что позволяет сделать процесс восстановления не слишком длительным.

Жесткие сбои приводят к полной или частичной потере содержимого баз данных на внешней памяти. Тем не менее цель процесса восстановления та же, что и в случае мягкого сбоя: после завершения этого процесса база данных должна содержать все изменения, произведенные транзакциями, закончившимися к моменту сбоя, и не должна содержать ни одного изменения, произведенного транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя. В случае жесткого сбоя единственно возможный подход к восстановлению состояния базы данных может быть основан на использовании ранее произведенной копии базы данных. В общем случае процесс восстановления после жесткого сбоя существенно более накладен, чем после мягкого сбоя.

Алгоритмы восстановления System R основаны на двух базовых средствах: ведении журнала и поддержке теневых состояний сегментов. Рассмотрим сначала механизм журнализации. Мы уже упоминали о наличии журнала в предыдущих подразделах. Журнал - это отдельный файл внешней памяти, для которого для надежности обычно поддерживаются две копии и в который помещается информация обо всех операциях изменения состояния базы данных. В предыдущем подразделе мы упоминали об использовании журнала для отката транзакции по явной операции RESTORE или при неявных откатах при разрушении тупиков. Та же схема употребляется и при откатах индивидуальных транзакций при сбоях.

Механизм индивидуального отката основан на обратном выполнении всех изменений, произведенных данной транзакцией (undo). При этом из журнала в обратном хронологическому порядке выбираются все записи об изменении базы данных, произведенные от имени этой транзакции. Для этого необходима идентификация всех записей в журнале. В System R все записи одной транзакции связываются в один список в порядке, обратном хронологическому. Ссылка в списке представляет собой адрес записи в файле-журнале. Поскольку схема индивидуального отката едина для всех ситуаций индивидуальных сбоев, в частности для ситуации разрушения тупиков, то обратное выполнение операций сопровождается снятием установленных при прямой работе транзакции синхронизационных захватов с объектов базы данных. Следовательно, после выполнения индивидуального отката транзакции ситуация в системе такова, как если бы транзакция никогда и не начиналась.

Специфика мягкого сбоя системы состоит в утрате состояния оперативной памяти. В оперативной памяти находятся буферы базы данных. Поддерживаются буферы двух сортов: буферы журнала и буферы собственно базы данных. Буферы журнала содержат последние записи в журнал. Имеются два буфера журнала. Как только один буфер полностью заполняется, производится его запись в файл-журнал и продолжается заполнение второго буфера. Таким образом, при обычной работе системы обмены с файлом журнала не приводят к приостановке работы. Буфера базы данных содержат копии страниц базы данных, которые использовались в последнее время. В силу обычных в программировании принципов локальности ссылок достаточно вероятно, что после помещения копии страницы базы данных в буфер эта страница потребуется в ближайшем будущем. Поэтому наличие копии страницы в буфере позволит избежать обмена с устройством внешней памяти, когда эта страница понадобится в следующий раз.

Заметим, что размер буферного пула СУБД во многом определяет ее производительность. Обычная реляционная СУБД, такая, как System R, при наличии достаточного размера буферного пула вполне конкурентоспособна по отношению к системам, основанным на специализированной аппаратуре машин баз данных.

Задача System R по обеспечению надежного завершения транзакций, т.е. гарантированому наличию произведенных ими изменений в базе данных, требует наличия на внешней памяти информации об этих изменениях. Для этого при окончании любой транзакции поддерживается гарантированное присутствие в файле-журнале всех записей об изменениях, произведенных этой транзакцией. При использовании буферизации для записи в журнал для этого достаточно насильственно вытолкнуть на внешнюю память недозаполненный буфер журнала. Под насильственным выталкиванием понимается запись буфера на внешнюю память в соответствии не с логикой ведения журнала, а с логикой окончания транзакции. Только после произведения такого насильственного выталкивания буфера журнала транзакция считается закончившейся. Заметим, что последней записью в журнале от любой изменяющей базу данных транзакции является запись о конце транзакции. Эти записи используются при восстановлении. Рассмотрим теперь (пока не совсем точно), как осуществляется в System R восстановление базы данных после мягкого сбоя.

Основой алгоритма восстановления является то, что система придерживается правила упреждающей записи в журнал (WAL - Write Ahead Log). Это правило означает, что при выталкивании любой страницы из буфера страниц сначала гарантируется наличие в файле журнала записи, относящейся к изменениям этой страницы после момента ее вталкивания в буфер. Поскольку записи в журнал блокируются, то для соблюдения правила WAL перед выталкиванием страницы данных необходимо вытолкнуть недозаполненный буфер журнала, если он содержит запись, относящуюся к изменению страницы. Применение правила WAL гарантирует, что если на внешней памяти находится страница базы данных, то в файле журнала находятся все записи об операциях, вызвавших изменение этой страницы. Обратное неверно: в файле журнала могут содержаться записи об изменении некоторых страниц базы данных, а сами эти изменения могут быть не отражены в состояниях страниц на внешней памяти.

При окончании любой транзакции (т.е. выполнении операции RSS END TRANSACTION) производится выталкивание недозаполненного буфера журнала и тем самым гарантируется наличие в журнале полной информации обо всех изменениях, произведенных данной транзакцией. Насильственное выталкивание страниц буфера базы данных не производится (слишком накладно было бы производить такие выталкивания при окончании любой транзакции). Тем самым, после мягкого сбоя состояние базы данных на внешней памяти может не соответствовать тому, которое должно было бы быть после оканчания транзакций. Следовательно, после мягкого сбоя некоторые страницы на внешней памяти могут не содержать информации, помещенной в них уже закончившимися транзакциями, а другие страницы могут содержать информацию, помещенную транзакциями, которые к моменту сбоя не закончились. При восстановлении необходимо добавить информацию в страницах первого типа и удалить информацию в страницах второго типа.

System R периодически устанавливает системные контрольные точки. Более подробно мы остановимся на этом ниже. Пока заметим лишь, что при установлении такой контрольной точки производится насильственное выталкивание на внешнюю память буфера журнала и всех буферов страниц. Это дорогостоящая операция, и выполняется она достаточно редко. При каждой системной контрольной точке в журнал помещается специальная запись.

Предположим, что последняя системная контрольная точка устанавливалась в момент времени tc, а мягкий сбой произошел в некоторый более поздний момент времени tf. Тогда все транзакции системы можно разбить на пять категорий:

Транзакции категории Т1 начались и закончились до момента tc. Следовательно, все произведенные ими изменения базы данных надежно находятся на внешней памяти, и по отношению к ним никаких действий при восстановлении производить не нужно. Транзакции категории Т2 начались до момента tc, но успели закончиться к моменту мягкого сбоя tf. Изменения, произведенные такими транзакциями после момента tc, могли не попасть на внешнюю память, и при восстановлении должны быть повторно произведены. Транзакции категории Т3 начались до момента tc, но не закончились к моменту сбоя. Все их изменения, произведенные до момента tc, и, возможно, некоторые изменения, произведенные после момента tc, содержатся на внешней памяти. При восстановлении их необходимо удалить. Транзакции категории Т4 начались после момента установки системной контрольной точки и успели закончиться до момента сбоя. Их изменения могли не отобразиться на внешнюю память; при восстановлении их необходимо выполнить повторно. Наконец, транзакции категории Т5 начались после момента tc и не закончились к моменту сбоя. Их изменения должны быть удалены из страниц внешней памяти.

В принципе, можно было бы выполнить все необходимые восстановительные действия после мягкого сбоя, основываясь только на информации из журнала. Однако в System R ситуация несколько упрощается за счет применения техники теневых страниц. Принцип теневых страниц давно использовался в файловых системах, поддерживающих файлы со страничной организацией. В соответствии с этим принципом после открытия файла на изменение модифицированные страницы записываются на новое место внешней памяти (т.е. под них выделяются свободные блоки внешней памяти). При этом на внешней памяти сохраняется старая (теневая) таблица отображения страниц файла на внешнюю память, а в оперативной памяти по ходу изменения файла формируется новая таблица. При закрытии файла заново сформированная таблица записывается на внешнюю память, образуя новую теневую таблицу, а блоки внешней памяти, содержащие предыдущие образы страниц файла, освобождаются. При сбое процессора тем самым автоматически сохраняется состояние файла, в котором он находился перед последним открытием (конечно, с возможной потерей некоторых блоков внешней памяти, которые затем собираются с помощью специальной утилиты). Допускаются операции явной фиксации текущего состояния файла и явного отката состояния файла к точке последней фиксации.

В System R применяется развитие идей теневого механизма в контексте мультидоступных баз данных. Как мы уже отмечали, сегменты баз данных System R представляют собой файлы со страничной организацией. Соответственно, существуют и таблицы приписки этих файлов на блоки внешней памяти. При выполнении операции установки системной контрольной точки после выталкивания буферов страниц на внешнюю память таблицы отбражения всех сегментов также фиксируются на внешней памяти, т.е. становятся теневыми. Далее до следующей контрольной точки доступ к страницам сегментов производится через таблицы отображения, располагаемые в оперативной памяти, и каждая изменяемая страница любого сегмента записывается на новое место внешней памяти с коррекцией соответствующей текущей таблицы отображения.

Тогда, если происходит мягкий сбой, все сегменты автоматически переходят в состояние, соответствующее последней системной контрольной точке, т.е. изменения, произведенные позже момента установления этой контрольной точки, в них просто не содержатся.

Это сильно упрощает процедуру восстановления после мягкого сбоя. Система вообще не должна предпринимать никаких действий по отношению к изменениям транзакций типа Т5: этих изменений нет во внешней памяти. При восстановлении достаточно выполнить обратные изменения транзакций типа Т3 ("undo" в терминологии System R), повторно выполнить изменения транзакций типа Т2 ("redo" в терминологии System R; заметим, кстати, что эти изменения можно теперь выполнять безусловно, не заботясь о том, что они, возможно, и так содержатся на внешней памяти). Кроме того, нужно просто повторить изменения транзакций типа Т4. Естественно, что начинать действия по журналу следует с записи о последней контрольной точке.

Справедливости ради отметим, что на самом деле теневой механизм используется в System R главным образом не для упрощения процедуры восстановления после мягкого сбоя. Как мы уже отмечали, без этого можно обойтись. Главная причина в другом, а именно в том, что восстановление базы данных можно начинать только от ее физически согласованного состояния. Дело в том, что в журнал помещается информация об изменении объектов базы данных, а не страниц. Например, в журнале может находиться информация о модификации кортежа в виде триплета . Реально же при выполнении операции модификации изменяются несколько страниц: исходная страница; возможно, страница замены, если кортеж не поместился в исходную страницу; страницы индексов. И так происходит при выполнении любой операции изменения базы данных. Поскольку буферы страниц выталкиваются на внешнюю память по отдельности, то к моменту мягкого сбоя во внешней памяти может возникнуть набор физически рассогласованных страниц, не соответствующий никакой журнализуемой операции. При таком состоянии внешней памяти восстановление по журналу невозможно.

Когда выполняется операция установки системной контрольной точки, то до насильственного выталкивания буферов страниц система дожидается завершения всех операций всех транзакции и до окончания выталкивания не допускает выполнения новых операций. Поэтому теневое состояние всех сегментов базы данных физически согласовано и может служить основой восстановления по журналу.

При жестких сбоях утрачивается содержимое всех или части сегментов базы данных. Для восстановления базы данных используются журнал и ранее произведенная копия базы данных. В System R допускается посегментное восстановление. Для этого копия сегмента переписывается с архивного носителя на заново выделенный рабочий носитель, а затем по журналу повторяются все изменения, производившиеся в объектах этого сегмента после момента копирования. Поскольку в момент жесткого сбоя содержимое оперативной памяти не утрачивается, то возможно продолжение выполнения транзакций после завершения восстановления. Более того, если авария коснулась только части сегментов базы данных, то транзакции на фоне процесса восстановления могут продолжать работу с объектами базы данных, расположенными в неповрежденных сегментах.

Единственным требованием к архивной копии сегмента является то, что она должна находиться в согласованном состоянии (поскольку восстановление ведется в терминах записей журнала). Поэтому для создания архивной копии сегмента достаточно лишь дождаться конца выполнения операций над объектами данного сегмента и запретить начало новых операций до конца копирования. Тем самым, выполнение архивной копии не требует перевода системы в какой-либо особый режим работы и только незначительно тормозит нормальную работу транзакций.

В заключение данного подраздела заметим, что в первых версиях System R в качестве архивного носителя использовались магнитные ленты. Однако со временем стало ясно, что во-первых, надежность магнитных лент существенно меньше надежности магнитных дисков, а во-вторых, они стали уступать и в емкости. Поэтому в последних версиях системы использовалась только дисковая память.

И последнее замечание. Журнал System R располагается в файле большого, но постоянного размера. Он используется в циклическом режиме. Когда записи журнала достигают конца файла, они начинают помещаться в его начало. Поскольку переход на начало файла можно считать утратой предыдущего журнала, этот переход сопровождается копированием сегментов базы данных. В некоторых других системах используется архивизация самого журнала.

Продолжение в следующем номере.

*) Продолжение. Начало см. СУБД # 1-4, 1995.