Tiểu luận hệ phân tán – điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài

Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
HỆ PHÂN TÁN
 
ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI BẰNG CƠ CHẾ THEN CÀI &
BÀI TOÁN SỬ DỤNG BỘ QUẢN LÝ KHÓA CƠ BẢN VÀ
NHỮNG ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN

 !"#$
%  &'()&$*+,
-./$  '011)'012
-340(5'01'
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -1-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh, vượt bậc của nền Khoa học - Công
nghệ. Mạng máy tính ra đời làm cho thế giới của chúng ta dường như nhỏ lại và
mọi người trở nên gần nhau hơn và mọi người có thể trao đổi thông tin với một
khối lượng lớn và khoảng cách xa hơn với thời gian nhanh hơn. Trên thực tế, một
xu hướng kỹ thuật mới ra đời - xu hướng phân tán các thành phần tạo nên hệ tin
học theo hướng tiếp cận nơi sử dụng và sản xuất thông tin trên cơ sở mạng máy
tính. Vì vậy nếu chúng ta ngồi trước máy vi tính có nối mạng (LAN, WAN, Internet,
…) thì hầu như chúng ta có được mọi thứ. Chúng ta có thể trao đổi thông tin, quản
lý toàn bộ nhân sự của một đơn vị với nhiều chi nhánh trên toàn quốc hoặc ở các
quốc gia khác nhau, chúng ta có thể ở nhà để đăng ký vé máy bay, vé tàu xe, mua
hàng tại siêu thị, thanh toán tiền qua hệ thống E-Banking của ngân hàng, … Song
để khai thác có hiệu quả hệ thống, vấn đề quan trọng là chiến lược khai thác và sử
dụng các tài nguyên dùng chung như thế nào ? Chiến lược khai thác các tài nguyên

dùng chung này là chức năng cũng như đối tượng nghiên cứu của các hệ tin học
phân tán. Trong thực tế, hệ tin học phân tán với những nguyên lý, phương pháp của
nó đã và đang được nhiều người quan tâm để có thể vận dụng trong quá trình tác
nghiệp của mình. Hiện tại, các nội dung mang tính lý thuyết nguyên lý của hệ tin học
phân tán còn nhiều vấn đề chưa được giải quyết triệt để và đang là mục tiêu khám
phá của nhiều nhà nghiên cứu về công nghệ thông tin.
Trong phạm vi của bài tiểu luận này, với những kiến thức mà tôi đã được
học, đọc cũng như tự tìm hiểu thêm từ sách báo và mạng Internet, tôi xin trình bày
hai nội dung theo trình tự như sau:
67 Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
677 Bài toán sử dụng bộ quản lý khoá cơ bản và những điểm cần cải
tiến.
Với một lĩnh vực còn mới mẻ, đa dạng và phức tạp như trên vì vậy việc tìm
hiểu của tôi còn nhiều hạn chế. Kính mong nhận được sự góp ý, định hướng của
Thầy giáo Lê Văn Sơn và các bạn cùng lớp để tôi có thể tiếp tục nghiên cứu và đạt
được kết quả tốt hơn trong thời gian tới.
Xin chân thành cảm ơn !
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -2-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
PHẦN I
ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG THỜI BẰNG CƠ CHẾ THEN CÀI
I. Tổng quan về cơ chế then cài
Khi có nhiều giao tác đang được thực thi đồng thời trên những tiến trình
khác nhau (trong những bộ xử lý khác nhau), một số cơ chế là cần thiết để giữ
chúng không cho xâm nhập vào các tiến trình khác. Thuật toán điều khiển đồng
thời được sử dụng rộng rãi nhất là then cài. Trong trường hợp đơn giản nhất, khi
một tiến trình cần đọc hay ghi một tập tin giống như một nhiệm vụ của giao tác,
thì trước tiên nó phải khoá (cài then) tập tin đó. Then cài có thể được dùng như
một bộ quản lý khoá tập trung riêng lẽ, hay với một bộ quản lý khoá cục bộ trên
từng máy để quản lý các tập tin cục bộ. Trong cả hai trường hợp, bộ quản lý khoá

bao gồm một danh sách các tập tin bị khoá, và từ chối tất cả mọi cố gắng cài then
tập tin mà tập tin đó đã thật sự bị khoá bởi một tiến trình khác. Khoá được sinh ra
và được giải thoát một cách tự động bởi hệ thống các giao tác, không phụ thuộc
vào hành động của lập trình viên.
Sự sắp xếp cơ bản này là hạn chế quá mức và có thể được cải tiến bằng cách
phân biệt khoá đọc và khoá ghi. Nếu một khoá đọc được cài đặt trên một tập tin,
những khoá đọc khác được chấp nhận. Khoá đọc được cài đặt để làm chắc chắn
rằng tập tin sẽ không thay đổi, nhưng nó không có lý do nào để ngăn cấm những
giao tác khác không được đọc những tập tin này. Ngược lại, khi một tập tin bị khoá
quyền ghi, không có bất kỳ loại khoá nào khác được chấp nhận. Như vậy, khoá đọc
bị chia sẽ, nhưng khoá ghi chỉ là duy nhất.
Để đơn giản, chúng ta giả sử rằng một đơn vị của then cài là một tập tin
hoàn chỉnh. Trong thực tế, nó có thể là một mục nhỏ, giống như một bản ghi riêng
lẻ hay một trang riêng lẻ, hoặc có thể là một mục lớn, giống như một cơ sở dữ liệu
hoàn chỉnh. Vấn đề về độ quy mô của mục để khoá được gọi là tính chất của then
cài.
,8 Bằng cách không cần đánh dấu một tiến trình mà tiến trình đó muốn
dùng phần cuối cùng của tập tin chỉ bởi vì có một vài tiến trình khác đang sử dụng
phần đầu. Nói theo cách khác, một cơ chế cài then tốt đòi hỏi có nhiều khoá, là
nhiều tốn kém và có nhiều khả năng dẫn đến sự bế tắc.
II. Cơ chế then cài
Một giao dịch nào đó đang thực hiện phép then cài trên một đối tượng muốn
dành quyền sử dụng đối tượng này theo một vài kiểu truy cập nhất định. Cơ chế
then cài gán hay không gán quyền truy cập này căn cứ vào qui tắc tiền định như
loại trừ tương hỗ, luật đọc – hiệu chỉnh thông tin…
Nếu quyền được thừa nhận thì đối tượng bị cài then bởi giao dịch. Nếu
không, tiến trình thực hiện giao dịch bị khóa và đối tượng không bị cài then.
Cơ chế then cài cho phép một giao dịch có thể giải phóng đối tượng mà nó
đã cài then.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -3-

Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
19#:;
Một trong những giải pháp đơn giản để đạt được trật tự hoá gắn bó thể hiện ở
chổ bắt buộc phải sử dụng trật tự hoá tuần tự. Để làm việc đó, toàn bộ giao dịch
được đặt trong cặp hàm nguyên thuỷ mo_giaodich và dong_giaodich. Đây là sự
đảm bảo cho việc loại trừ tương hỗ giữa các giao dịch.
Nếu ta biết trước các đối tượng được xử lý bởi một giao dịch nào đó, thì ta có
thể cài then công việc truy cập đến các đối tượng. Điều đó chỉ cho phép thực hiện
song song đối với các giao dịch truy cập vào các đối tượng rời rạc.
Nếu ta muốn nâng cao hơn nữa khả năng sử dụng song song, thì cần phải
thực hiện cài then ở mức độ thấp hơn mức giao dịch.
'<=$>?@
Các quy tắc truy cập đối tượng được chú ý. Đó là tính hợp thức của việc truy
cập. Nội dung của quy tắc này như sau:
Một giao dịch thay đổi giá trị của đối tượng phải loại trừ tất cả các đối
tượng khác muốn truy cập, ngược lại thì việc truy cập được tiến hành theo kiểu
tương tranh.
Để đảm bảo điều đó luôn luôn được thực hiện, người ta cho phép tiến hành
cài then một đối tượng trước khi việc sử dụng nó có hiệu lực.
Một giao dịch có thể thực hiện ba hàm nguyên thuỷ trên đối tượng e:
STT Tên hàm Thuyết minh
1 v_doc(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc e theo
kiểu chia sẽ.
2 v_viet(e) Sử dụng khi muốn có được quyền đọc và viết
vào e theo kiểu loại trừ.
3 giai_phong(e) Giải phóng đối tượng e. Giả sử trước đó đã được
cài then bởi cùng giao dịch này.
Một giao dịch gọi là phát triển nếu:
+ Một phép toán chỉ được thực hiện trên một đối tượng sau khi đối tượng đó
đã được cài then bởi giao dịch theo kiểu tương thích với phép toán.

+ Không có giao dịch nào cài then được trên đối tượng mà trước đó đã bị cài
then cũng bởi chính giao dịch đó, ngoại trừ theo kiểu loại trừ trong trường hợp
trước đó đã sử dụng kiểu chia sẽ.
+ Sau khi chấm dứt một giao dịch, không có đối tượng nào bị cài then.
Các then cài được sử dụng để hạn chế một lớp các trật tự hoá có khả năng
được thực hiện.
Một trật tự hoá được gọi là hợp thức nếu:
+ Đối tượng được một giao dịch cài then theo kiểu chia sẽ không bị bất cứ
then cài nào theo kiểu loại trừ của các giao dịch khác.
+ Một đối tượng bị cài then theo kiểu loại trừ thì không bị bất kỳ then cài mới
nào nữa.
Do vậy, mọi cố gắng cài then không phù hợp với các điều kiện tương hỗ nêu
trên đều phải chờ (bị làm chậm lại) cho đến khi mở then.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -4-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
ABC Một giao dịch được gọi là tốt, nếu nó sử dụng các then cài phù hợp
với đặc điểm của chúng. Một trật tự hoá được gọi là hợp thức, nếu các then cài
hoạt động phù hợp với các đặc điểm này.
2$D'%$
Xem xét một giao dịch hình thành hợp thức bằng cách kiểm tra hai điều kiện:
+ Toàn bộ đối tượng bị cài then vẫn ở trong tình trạng cài then cho đến cuối
giao dịch.
+ Không có then cài nào có thể diễn ra tiếp theo một then cài khác trong
cùng một giao dịch.
Điều kiện này thể hiện ở chổ là dãy các phép toán trên các then cài được phân
tích thành hai pha nối tiếp nhau. Một pha mà trong đó các đối tượng bị cài then,
còn pha kia chúng được mở then.
Toàn bộ trật tự hoá hợp thức của một tập hợp các giao dịch hình thành tốt hai
pha là gắn bó, có nghĩa là cùng hiệu ứng với trật tự hoá tuần tự.
Ngược lại, nếu các giao dịch của một tập hợp không phải là hình thành tốt và

ở hai pha thì có thể xây dựng các trật tự hoá hợp thức của M là không gắn bó.
Để hiểu rõ hơn, ta xem xét các ví dụ sau.
Ví dụ 1:
Hãy truy cập vào tập hợp các đối tượng.
Giả sử rằng ta muốn đọc các giá trị của một tập hợp các đối tượng và quy ước
rằng các giá trị này kiểm tra các ràng buộc toàn vẹn. Lúc này, ta cần phải cài then
theo kiểu chia sẽ cho mỗi một đối tượng trước khi đọc, mở then diễn ra ở cuối của
giao dịch này. Một phép như vậy gọi là đọc gắn bó của tập hợp các đối tượng.
Như thế, giao dịch được thể hiện như sau:
là giao dịch đọc gắn bó của tập hợp {a,b,c}.
Ví dụ 2:
Quản lý các tài khoản trong một ngân hàng.
Mỗi một người mở tài khoản tại ngân hàng sẽ được lưu trữ trong một bản ghi
của cở sở dữ liệu. Các trường của bản ghi này bao gồm họ và tên, địa chỉ, điện
thoại và một khoá duy nhất (mã số) cho người đó. Mã số đóng vai trò con trỏ đến
cơ sở dữ liệu khác chứa các lần thu tiền vào và rút tiền ra từ tài khoản. Cuối cùng,
chúng ta phải có cơ sở dữ liệu chứa số dư. Số dư là số tiền có trong tài khoản ở
thời điểm xem xét của từng người gửi tiền. Trạng thái của số dư trong tài khoản
được khống chế ở mức xác định, ví dụ như số dư không được ≤ N cho trước. Điều
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -5-
v_doc(a)
v_doc(b)
doc(a)
doc(b)
v_doc(c)
doc(c)
giai_phong(a)
giai_phong(b)
giai_phong(c)
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài

đó cũng đồng nghĩa với việc đảm bảo trong tài khoản của người sủ dụng không
bao giờ có giá trị bằng 0 hay giá trị âm.
Bây giờ chúng ta hãy nghiên cứu vấn đề quản lý truy cập thông tin tài khoản
cho phép đảm bảo được tính gắn bó.
Sau đây là hai kiểu mô tả khác nhau của giao dịch T và một kiểu mô tả có thể
của giao dịch U:
Giao dịch T
1
Giao dịch T
2
Giao dịch U
v_viet(A)
A:= A - P
1
giai_phong(A)
v_viet(B)
B:= B + P
1
giai_phong(B)
v_viet(A)
A:= A – P
2
v_viet(B)
giai_phong(A)
B:= B + P
2
giai_phong(B)
v_viet(A)
A:= (1+t)*A
v_viet(B)

B:= (1+t)*B
giai_phong(B)
giai_phong(A)
Ta kiểm tra rằng tất cả các giao dịch đều là hình thành tốt và T
2
và U đều ở
hai pha và T
1
không có hai pha.
Sau đây là hai trật tự hoá hợp thức S
1
và S
2
xuất phát từ việc thực hiện song
song của T
1
và U và T
2
và U
2
.
S
1
(T
1
,U) S
2
(T
2
,U)

T
11
: v_viet(A)
T
12
: A:= A – P
1
T
13
: giai_phong(A)
U
1
: v_viet(A)
U
2
: A:= (1+t)*A
U
3
: v_viet(B)
U
4
: B:= (1+t)*B
U
5
: giai_phong(B)
T
14
: v_viet(B)
T
15

: B:= B + P
1
U
6
: giai_phong(A)
T
16
: giai_phong(B)
T
21
: v_viet(A)
T
22
: A:= A – P
2
T
23
: v_viet(B)
T
24
: giai_phong(A)
U
1
: v_viet(A)
U
2
: A:= (1+t)*A
T
25
: B:= B + P

2
T
26
: giai_phong(B)
U
3
: v_viet(B)
U
4
: B:= (1+t)*B
U
5
: giai_phong(B)
U
6
: giai_phong(A)
Như vậy, ta kiểm tra rằng S
1
dẫn đến trạng thái không gắn bó, U thực hiện
trên các giá trị không gắn bó của B và rằng S
2
là tương đương với trật tự hoá tuần
tự S
2
(T
2
,U).
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -6-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
PHẦN II

SỬ DỤNG BỘ QUẢN LÝ KHÓA CƠ BẢN
VÀ NHỮNG ĐIỂM CẦN CẢI TIẾN
I. Tổng quan
Như đã nói ở phần trên, điều khiển đồng thời giải quyết các tính chất biệt lập
và nhất quán của giao dịch. Cơ chế điều khiển đồng thời phân tán của một hệ quản
trị cơ sở dữ liệu phân tán bảo đảm rằng tính nhất quán của cơ sở dữ liệu sẽ được
duy trì trong môi trường phân tán nhiều người dùng. Nếu các giao dịch đã nhất
quán nội tại (nghĩa là không vi phạm bất kỳ ràng buộc nhất quán nào), thế thì để có
thể đạt được mục tiêu này, cách đơn giản nhất là thực hiện lần lượt từng giao dịch
một. Rõ ràng một chọn lựa như thế chỉ đáng chú ý về mặt lý thuyết và không được
cài đặt trong bất kỳ một hệ thống thực sự nào bởi vì nó làm giảm thiểu lưu lượng
hệ thống. Mức độ đồng thời có lẽ là một tham số quan trọng nhất trong các hệ phân
tán. Do vậy, cơ chế điều khiển đồng thời cố gắng tìm ra một phương án thích hợp,
vừa duy trì được tính nhất quán của cơ sở dữ liệu, vừa duy trì được mức độ đồng
thời cao.
Các bộ phận quản lý thực hiện một giao dịch của Hệ quản trị CSDL
Hình 1: Các bộ phận quản lý thực hiện giao dịch
Trong đó:
Transactions: Các giao dịch;
Transaction manager: Bộ quản lý giao dịch
Scheduler: Bộ lập lịch
Data Manager: Bộ quản lý dữ liệu
BEGIN_TRANSACTION, END_TRANSACTION: bắt đầu và kết
thúc giao dịch
Timestamp: Dấu thời gian
LOCK/Release: Khóa/Giải phóng
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -7-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
Các bộ phận quản lý thực hiện các giao dịch phân tán của hệ quản trị CSDL
phân tán.

Hình 2: Các bộ phận quản lý thực hiện giao dịch phân tán
Trước hết, chúng ta xem lại định nghĩa tính khả tuần tự một cách hình thức:
Một lịch biểu S được gọi là khả tuần tự nếu và chỉ nếu nó tương đương tương tranh
với một lịch biểu tuần tự. Tính khả tuần tự được định nghĩa như thế cũng được gọi
là khả tuần tự theo tương tranh bởi vì nó được định nghĩa theo sự tương đương
tương tranh. Từ đó, chúng ta có thể chỉ ra rằng chức năng cơ bản của bộ phận điều
khiển đồng thời là tạo ra một lịch biểu khả tuần tự để thực hiện các giao dịch đang
chờ.
Lịch biểu của một giao dịch là một chuỗi các lệnh được thực hiện trong hệ
thống theo thứ tự thời gian. Một lịch biểu đối với một tập các giao dịch phải bao
gồm tất cả các lệnh của tất cả các giao dịch này, và phải bảo toàn thứ tự mà các
lệnh xuất hiện trong mỗi giao dịch cá thể theo thứ tự đó. Lịch biểu tạo mối liên hệ
ràng buộc giữa các giao dịch với nhau.
Ví dụ về lịch biểu khả tuần tự: Có 3 giao dịch T1, T2, T3 (tương ứng với (a),
(b), (c)
BEGIN_TRANSACTION
x = 0;
x = x + 1;
END_TRANSACTION
(a)
BEGIN_TRANSACTION
x = 0;
x = x + 2;
END_TRANSACTION
(b)
BEGIN_TRANSACTION
x = 0;
x = x + 3;
END_TRANSACTION
(c)

Lịch biểu cho các giao dịch trên:
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -8-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
Schedule 1 x = 0; x = x + 1; x = 0; x = x + 2; x = 0; x = x + 3 Hợp lệ
Schedule 2 x = 0; x = 0; x = x + 1; x = x + 2; x = 0; x = x + 3; Hợp lệ
Schedule 3 x = 0; x = 0; x = x + 1; x = 0; x = x + 2; x = x + 3; Bất hợp lệ
II. Sử dụng bộ quản lý khóa cơ bản
Việc điều khiển đồng thời bằng khoá chốt là một cơ chế thường dùng để giải
quyết những vấn đề liên quan đến việc đồng bộ hoá dữ liệu truy cập dùng chung,
đảm bảo dữ liệu dùng chung cho các thao tác tương tranh chỉ được truy xuất một
lần một giao dịch, mỗi phần tử dữ liệu đều có một khoá chốt kết hợp với chúng.
Điều này được thực hiện bằng cách liên kết một khoá chốt với mỗi đơn vị khoá.
Khoá này được giao dịch đặt ra trước khi nó truy xuất và được điều chỉnh lại vào
lúc nó hết sử dụng. Hiển nhiên là một đơn vị khoá không thể truy xuất được nếu đã
bị khoá bởi một giao dịch khác. Vì vậy, yêu cầu khoá của một giao dịch chỉ được
trao nếu khoá đi kèm hiện không bị một giao dịch khác giữ.
Bộ xếp lịch đảm bảo rằng chỉ duy nhất giao tác có thể giữ khoá chốt trong
một thời điểm, và chỉ có một giao tác có thể truy xuất dữ liệu đó tại cùng một thời
điểm.
Khoá chốt được bộ xếp lịch (Schedule manager) dùng để đảm bảo tính khả
tuần tự.
Trước khi một giao tác có thể truy cập dữ liệu dùng chung, bộ xếp lịch sẽ
khảo sát trạng thái khoá chốt của những dữ liệu này.
Nếu không có giao tác nào khác đang giữ chúng thì bộ xếp lịch sẽ phát lệnh
thông báo khoá dữ liệu này lại và sau đó các giao tác thực hiện các lệnh của mình
trên dữ liệu đó.
Nếu dữ liệu đang bị khoá bởi giao tác T2, thì giao tác này phải chờ cho đến
khi nào T2 giải phóng khoá đó.
Bởi vì chúng ta quan tâm đến việc đồng bộ hóa các thao tác tương tranh của
các giao dịch tương tranh nên có hai loại khóa chốt được kèm với mỗi đơn vị khóa:

Khóa đọc (Read Lock RL), và Khóa Ghi (Write Lock -WL).
+ RLi(x): khoá đọc trên phần tử dữ liệu x của giao tác Ti
+ WLj(x): khoá ghi trên phần tử dữ liệu x của giao tác Tj
Hai khoá pli(x) và qlj(y) đụng độ nếu x=y, i≠j,
Hai khoá đụng độ nhau nếu chúng khoá trên cùng một phần tử dữ liệu,
chúng được phát sinh từ hai giao tác khác nhau và một trong hai thao tác là ghi.
Một giao dịch T
i
đang muốn đọc một mục dữ liệu được chứa trong đơn vị
khóa x sẽ nhận được một khóa đọc trên x (ký hiệu là rl
i
(x) và cũng tương tự như
vậy với thao tác ghi.
Tính tương thích của các thực thể khóa được mô tả trong bảng sau:
RL
i
(x) WL
i
(x)
RL
i
(x) Tương thích Không tương thích
WL
i
(x) Không tương thích Không tương thích
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -9-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
-EFG+HFGI=CJK8.
Qui tắc 1:
Khi nhận được một thao tác pi[x] từ bộ quản lý giao tác (Transaction

Manager, TM), bộ xếp lịch kiểm tra nếu pli[x] đụng độ với một vài qlj[x] được đặt
trước đó.
+ Nếu đúng, nó sẽ trì hoãn pi[x] và buộc Ti chờ cho đến khi nó có thể đặt
được khoá cần thiết.
+ Nếu không đụng độ, bộ xếp lịch (scheduler) sẽ đặt pli[x] và gởi pi[x] đến
bộ quản lý dữ liệu (Data Manager, DM).
Quy tắc này nhằm hạn chế hai giao tác truy xuất đồng thời một phần tử dữ
liệu trong tình trạng đụng độ.
Qui tắc 2:
Mỗi khi bộ xếp lịch đặt khoá cho Ti, pli[x], nó không thể giải phóng khoá đó
cho đến khi DM trả lời đã xử lý thao tác tương ứng của khoá, pi[x].
Qui tắc 3:
Mỗi khi bộ xếp lịch đã giải phóng một khoá cho một giao tác, nó không thể
lấy tiếp bất kỳ khoá nào cho giao tác đó.
Quy tắc (3) được gọi là quy tắc hai giai đoạn, là nguồn gốc của khoá chốt
hai giai đoạn.
Trong các hệ thống dùng khoá, bộ xếp lịch (scheduler) chính là bộ quản lý
khoá (lock manager, LM). Bộ quản lý giao dịch sẽ chuyển cho bộ quản lý khoá các
thao tác cơ sở dữ liệu (đọc hoặc ghi) và các thông tin kèm theo (như mục dữ liệu
cần truy xuất, định danh của giao dịch đưa ra yêu cầu). Sau đó, bộ quản lý khoá sẽ
kiểm tra đơn vị khoá có chứa mục dữ liệu đó đã bị khoá hay chưa. Nếu đã khoá, và
nếu thể thức khoá đó không tương thích với thể thức của giao dịch đang yêu cầu,
thao tác sẽ bị hoãn lại. Ngược lại, khoá sẽ được đặt với thể thức mong muốn và
thao tác này được chuyển cho bộ xử lý dữ liệu để truy xuất cơ sở dữ liệu thực sự.
Sau đó, bộ quản lý giao dịch được thông tin về các kết quả thực hiện. Việc kết thúc
giao dịch sẽ giải phóng các khoá của nó và làm khởi hoạt một giao dịch khác đang
đợi truy xuất mục dữ liệu này.
Thuật toán khoá chốt cơ bản
{Các định nghĩa chuẩn bị cho các thuật toán được trình bày trong tiểu luận}
Declare-type

Operation: một trong số Begin-Transaction, Read, Write, Abort, hoặc
Commit
DataItem : một mục dữ liệu trong cơ sở dữ liệu phân tán
TransactionId: một giá trị duy nhất được gán cho mỗi giao dịch
DataVal: một giá trị có kiểu dữ liệu cơ bản (nghĩa là số nguyên, số thực,…)
SiteId: một đinh danh duy nhất cho vị trí
Dbop: một bộ ba gồm {một phép toán trên cơ sở dữ liệu của ứng dụng}
opn: Operation
data: DataItem
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -10-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
tid: TransactionId
Dpmsg: một bộ ba gồm {một thông báo từ bộ xử lý dữ liệu}
opn: Operation
tid: TransactionId
result: DataVal
Scmsg: một bộ ba gồm {một thông báo từ bộ xếp lịch}
opn: Operation
tid: TransactionId
result: DataVal
Transation ← một bộ hai gồm
tid: TransactionId
body: thân giao dịch
Message ← một chuỗi ký tự cần được truyền đi
OpSet: một tập các Dbop
SiteSet: một tập các SiteIde
WAIT(msg: Message)
begin
{đợi cho đến khi có một thông báo đến}
end

{Thuật toán 1. Bộ quản lý khoá cơ bản (Basic LM)}
Declare-var
msg : Message
dop : Dbop
Op : Operaeion
x : Dataltem
T : TransactionId
pm : Dpmsg
res : Dataval
SOP : Opset
Begin
repeat
WAIT(msg)
case of *J
Dbop:
begin
Op ← dop.opn
x ← dop.da ta
T ← dop.tid
case of L%
Begin-transaction:
begin
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
end
Read or Write {yêu cầu khoá}
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -11-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
begin
tìm đơn vị khoá lu sao cho x lu
if lu chưa bị khoá or thể thức khoá lu tương thích với

Op then
begin
đặt khoá trên lu ở thể thức thích hợp
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
end
else đưa dop vào một hàng đợi của lu
end-if
end
Abort or Commit:
begin
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
end
end-case
Dpmsg: {trả lời của bộ xử lý dữ liệu}
Begin {yêu cầu mở khoá}
Op ← pm.opn
x ← pm.result
T ← pm.tid
tìm đơn vị khoá lu sao cho x
⊆
lu, giải phóng khoá trên lu do T giữ
if không còn khoá nào trên lu and
có những thao tác đang đợi khoá lu trong hàng đợi then
begin
SOP ← thao tác đầu tiên trong hàng đợi
SOP ← SOP
∪
{O là một thao tác trên hàng đợi có thể khoá
lu ở thể thức khoá tương thích với các thao tác hiên hành trong
L }

đặt các khoá trên lu cho các thao tác trong SOP
for tất cả các phép toán trong SOP do
gởi mỗi thao tác đến bộ xử lý dữ liệu
end-for
end-if
end
end-case
until forever
End. {Basic LM}
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -12-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
III. Những điểm cần cải tiến của bộ quản lý Khóa cơ bản
Thuật toán khóa được cho trong Thuật toán 1 được trình bày ở trên không
đồng bộ hoá chính xác các thực thi giao dịch. Điều này là do khi tạo ra các lịch
biểu khả tuần tự, các thao tác khóa và giải phóng khóa cũng cần phải được điều
phối. Vì vậy chúng ta minh họa nó bằng ví dụ như sau:
Ví dụ: Xét hai giao dịch sau đây:
Dưới đây là một lịch biểu hợp lệ được bộ quản lý khóa tạo ra khi sử dụng
Thuật toán 1:
S = {wl
1
(x) R
1
(x), W
1
(x), lr
1
(x), wl
2
(x), R

2
(x), W
2
(x), lr
2
(x), wl
2
(y),
R
2
(y), W
2
(y), lr
2
(y), C2, wl
1
(y), R
1
(y), W
1
(y), lr
1
(y), Cl}
Ở đây LR
i
(z) biểu thị thao tác giải phóng khoá trên z đang được T
i
giữ.
Chú ý rằng S không khả tuần tự. Bởi vì, nếu trước lúc thực hiện các giao dịch
này, giá trị của x và y lần lượt là 50 và 20. Nếu S khả tuần tự, thì giá trị sau khi

thực hiện tương ứng là 102 và 38 nếu T
1
thực hiện trước T
2
, hoặc là 101 và 39 nếu
T
2
thực hiện trước T
1
. Tuy nhiên kết quả thực hiện S cho ra giá trị của x và y lần
lượt là 102 và 39. Điều đó chứng tỏ S không khả tuần tự.
Vấn đề lịch biểu S trong ví dụ này là thuật toán khóa chốt đã giải phóng các
khoá được một giao dịch giữ (chẳng hạn T
1
) ngay khi lệnh đi kèm (đọc hoặc ghi)
được thực hiện; và đơn vị khoá (chẳng hạn x) không cần truy xuất nữa. Tuy nhiên,
bản thân giao dịch đó đang khóa những mục khác (chẳng hạn y) sau khi nó giải
phóng khoá trên x. Mặc dù điều này dường như có lợi vì làm tăng khả năng hoạt
động đồng thời, nó cho phép các giao dịch đan xen với nhau, làm mất đi tính biệt
lập và tính nguyên tử tổng thể. Đây chính là lập luận của phương pháp khoá chốt
hai pha (Two-Phase Locking, 2PL).
Khóa chốt hai pha - 2PL là một trong những kỹ thuật hiệu quả trong việc
khắc phục một số đụng độ cũng như thời gian chết trong quá trình thực hiện các
lệnh của các giao tác.
Nhiệm vụ của bộ xếp lịch 2 giai đoạn (Two phase locking, 2PL) là quản lý
khoá chốt và điều khiển giao tác khi nào lấy và khi nào giải phóng khoá.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -13-
T
1
: Read(x)

x ← x + 1
Write(x)
Read(y)
y ← y – 1
Write(y)
Commit
T
2
: Read(x)
x ← x * 2
Write(x)
Read(y)
y ← y * 2
Write(y)
Commit
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
2PL nhằm đồng bộ hoá việc đọc và ghi. Trước khi đọc mục dữ liệu x, phải
khóa x (khóa do đọc). Trước khi ghi lên x, giao tác phải khóa mục x ( khóa do ghi).
Quá trình cấp phát và thu hồi khóa được thể hiện ở biểu đồ khoá 2PL sau:
Hình 3: Biểu đồ Khóa 2PL
Hình trên cho thấy bộ quản lý khóa giải phóng khóa ngay sau khi hoàn tất
việc truy xuất. Điều này cho phép các giao dịch đang đợi khoá tiếp tục tiến
hành và nhận khoá, do vậy, làm tăng hoạt động đồng thời.
Gọi Oper(T,x) là lệnh truy xuất mục dữ liệu x trong giao tác T.
Dựa vào kỹ thuật khóa chốt hai giai đoạn, ta có thể chia giao tác thành hai
giai đoạn, dựa trên 3 nguyên tắc trên:
+ Giai đoạn tăng trưởng (growing phase), trong giai đoạn này nó nhận
các khoá và truy xuất các mục dữ liệu.
Khi bộ lập lịch nhận được lệnh Oper(T,x), nó kiểm tra lệnh này có tranh
chấp với những lệnh truy xuất trên x khác, đã được bộ lập lịch cấp khóa.


Nếu nó tranh chấp, lệnh Oper(T,x) bị bị trì hoãn.

Nếu không tranh chấp, bộ lập lịch sẽ cấp 1 khóa cho x và gửi lệnh này đến
bộ quản lý dữ liệu.
Bộ lập lịch sẽ không giải phóng khóa cho đến khi bộ quản lý dữ liệu đã
thực hiện xong lệnh Oper(T,x).
+ Giai đoạn thu hồi (shrinking phase) là giai đoạn giải phóng những khoá
của nó.
Khi bộ lập lịch bắt đầu giải phóng bất kỳ khóa nào của giao tác T thì nó sẽ
không cấp bất kỳ khóa nào cho T, cho dù các mục dữ diệu của T đòi hỏi khóa.
Nếu T cứ đòi hỏi khóa khi tiến trình giải phóng khóa xảy ra thì chương
trình phát sinh lỗi và giao tác sẽ gọi lệnh Abort.
+ Điểm khoá (lock point) là thời điểm giao dịch đã nhận được tất cả các
khoá nhưng chưa bắt đầu giải phóng khóa nào. Vì thế điểm khóa xác định cuối giai
đoạn tăng trưởng và đầu giai đoạn thu hồi của một giao tác.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -14-
Giai đoạn tăng trưởng
Giai đoạn thu hồi
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
Tuy nhiên việc cài đặt Khóa 2PL gặp nhiều khó khăn vì bộ quản lý khoá phải
biết rằng giao dịch đã nhận đủ tất cả mọi khoá và sẽ không còn cần khoá một mục
nào nữa. Bộ quản lý khoá cũng phải biết rằng giao dịch không còn cần truy xuất
mục dữ liệu đó nữa, vì thế khoá có thể được giải phóng. Cuối cùng, nếu giao dịch
bị huỷ bỏ sau khi giải phóng một khoá, nó có thể làm huỷ bỏ luôn cả các giao dịch
đã truy xuất các mục đã mở khoá. Hiện tượng này được gọi là huỷ bỏ dây chuyền
(cascading abort). Vì những khó khăn đó, phần lớn các bộ xếp lịch 2PL đều cài đặt
một dạng khắc khe hơn có tên là khoá chốt hai pha nghiêm ngặt (strict two-phase
locking), trong đó nó giải phóng toàn bộ các khoá vào lúc giao dịch kết thúc (uỷ
thác hoặc bị huỷ bỏ).

Biểu đồ khóa loại này được trình bày như sau:
Hình 4: Biểu đồ khoá hai pha nghiêm ngặt
Kỹ thuật này cũng gồm 2 giai đoạn:
+ Giai đoạn tăng trưởng: giống với giai đoạn đầu của kỹ thuật khóa 2
pha.
+ Giai đoạn thu hồi khóa:

Tất cả các khóa được giải phóng cùng một lúc sau khi giao tác T kết thúc
hoặc bị hủy bỏ.

Không có thao tác đọc/ghi nào được thực hiện một khi khóa được giải
phóng bởi giao tác.

Nếu giao tác bị hủy bỏ thì việc phục hồi lại những thay đổi dữ liệu được
thực hiện trước khi khóa được giải phóng.
Bộ quản lý khoá 2PL nghiêm ngặt chỉ sửa lại một ít trong Thuật toán 1.
Thực sự chỉ cần sửa đổi phần xử lý các hồi đáp từ bộ xử lý dữ liệu nhằm đảm
bảo rằng các khoá chỉ được giải phóng nếu thao tác là uỷ thác hoặc huỷ bỏ.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -15-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
Toàn bộ thuật toán 2PL nghiêm ngặt được trình bày trong Thuật toán 2, thuật toán
quản lý giao dịch để xếp lịch theo 2PL được trình bày trong Thuật toán 3.
Thuật toán 2. Thuật toán quản lý khoá bằng phương pháp khoá chốt hai pha
nghiêm ngặt (S2PL-LM).
declare-var
msg : Message
dop : Dbop
Op : Operaeion
x : Dataltem
T : TransactionId

pm : Dpmsg
res : Dataval
SOP : Opset
begin
repeat
WAIT(msg)
case of *J
Dbop:
begin
Op ← dop.opn
x ← dop.da ta
T ← dop.tid
case of L%
Begin-transaction:
begin
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
end
Read or Write {cần khoá chốt}
begin
tìm đơn vị khoá lu sao cho x
⊆
lu
if lu chưa bị khoá or thể thức khoá lu tương thích với
Op then
begin
đặt khoá trên lu ở thể thức thích hợp
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
end
else đặt dop vào một hàng đợi cho lu
end-if

end
Abort or Commit:
begin
gởi dop đến bộ xử lý dữ liệu
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -16-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
end
end-case
Dpmsg:
Begin
Op ← pm.opn
res ← pm.result
T ← pm.tid
If Op = Abort or Op = Commit then
begin
for mỗi đơn vị khoá lu bị khoá bởi T do
begin
giải phóng khoá trên lu do T giữ
if không còn khoá nào trên lu and
có các thao tác đang đợi khoá lu trong hàng đợi then
begin
SOP ← thao tác đầu tiên trong hàng đợi
SOP ← SOP
∪
{ là một thao tác trên hàng đợi có thể khoá
lu ở một thể thức khoá tương thích với các thao tác hiên hành
trong L }
đặt các khoá trên lu cho các thao tác trong SOP
for tất cả các thao tác trong SOP do
gởi mỗi thao tác đến bộ xử lý dữ liệu

end-for
end-if
end-for
end-if
end
end-case
until forever
end. {S2PL- LM}
Thuật toán 3. Bộ quản lý giao dịch 2PL (2PL-TM)
declare-var
msg : Message
dop : Dbop
Op : Operaeion
x : Dataltem
T : TransactionId
O : Dbop
res : Dataval
SOP : Opset
begin
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -17-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
repeat
WAIT(msg)
case of *J
Dbop:
begin
gởi O đến LM
end
Scmsg:
begin

Op ← sm.opn
res ← sm.result
T ← sm.tid
Case of Op
Read:
begin
trả res về cho ứng dụng của người sử dụng (nghĩa là giao dịch)
end
Write:
begin
thông tin cho ứng dụng về việc hoàn tất hành động ghi
trả res về cho ứng dụng
end
Commit:
begin
huỷ vùng làm việc của T
thông tin cho ứng dụng biết về việc hoàn tất thành công giao dịch T
end
Abort:
begin
thông tin cho ứng dụng biết về việc hoàn tất huỷ bỏ giao dịch T
end
end-case
end
end-case
until forever
end. {2PL-LM}
Chúng ta cần chú ý rằng mặc dù thuật toán 2PL cưỡng chế tính khả tuần tự
tương tranh, nó không cho phép tất cả mọi lịch biểu có tính khả tuần tự tương
tranh.

Trong lý thuyết khả tuần tự, thứ tự tuần tự hoá các thao tác tương tranh cũng
quan trọng như việc phát hiện tương tranh và điều này có thể được tận dụng khi
định nghĩa các thể thức khoá. Hệ quả là ngoài các khoá đọc (dùng chung, shared)
và khoá ghi (độc quyền, exclusive), chúng ta có thể định nghĩa một thể thức khoá
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -18-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
thứ ba: dùng chung có thứ tự (ordered shared). Khoá dùng chung có thứ tự của một
đối tượng x bởi các giao dịch T
i
và T
j
mang ý nghĩa như sau: cho một lịch biểu S
có các khoá dùng chung có thứ tự giữa các thao tác o T
i
và p T
j
, nếu T
i
thu đựoc
khoá o trước khi T
j
thu đựoc khoá p thì o được thực thi trước p.
Nghi thức khoá cưỡng chế một ma trận tương thích có chứa các thể thức
khoá dùng chung có thứ tự hoàn toàn giống với 2PL, ngoại trừ là giao dịch không
giải phóng bất kỳ khoá nào khi một trong các khoá của chúng còn đang được giữ.
Bằng không sẽ xảy ra các thứ tự tuần tự hoá luẩn quẩn.
Vấn đề bế tắc luôn xảy ra trong các kỹ thuật dùng cơ chế khóa chốt.
Giả sử có 2 giao tác T1 và T2 thực hiện các lệnh đọc ghi trên mục dữ liệu x
và y như sau:
T

1
: lock (x); lock(y); read (x); write (y);
T
2
: lock (y); lock(x); read (y); write (x);
T
1
chiếm giữ khóa x và cố gắng khóa y, T
2
chiếm giữ khóa y và cố gắng
khóa x. Hiện tượng bế tắc sẽ xảy ra.
M.H%8N#9+
+ Thiết lập thời gian Timeout, nếu thời gian thực hiện giao tác vượt quá
thời gian Timeout thì hủy bỏ giao tác hoặc thực hiện thuật toán kiểm tra bế tắc.
+ Sắp xếp các mục dữ liệu và truy xuất chúng theo một thứ tự nhất
định.
+ Giảm bớt việc đồng hành các giao tác.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -19-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
KẾT LUẬN

Tất cả các thông tin được trình bày ở trên với mục tiêu tìm hiểu vấn đề điều
khiển đồng bộ bằng cơ chế then cài và bài toán sử dụng bộ quản lý khoá cơ bản
chỉ dừng lại ở phương diện nghiên cứu nguyên lý, phương pháp kỹ thuật giải quyết
các vấn đề đó. Qua đó đã giúp cho tôi nắm bắt cơ bản được việc truy cập thông tin
chung, trong đó đặc biệt lưu tâm là việc truy cập không thể tiến hành theo một
trình tự ngẫu nhiên được. Nguyên do cơ bản của vấn đề này, không phải là cái gì
khác, mà chính là vấn đề bế tắc và gắn bó dữ liệu.
Và cũng từ đó giúp tôi nắm bắt được phương pháp quản lý việc truy cập
thông tin cho phép đảm bảo được tính gắn bó dữ liệu. Và hiểu được rằng, mặc dù

Then cài có thể là nguyên nhân của bế tắc và thiếu thốn tài nguyên vô hạn, nhưng
việc sử dụng Then cài đạt được sự gắn bó của giao dịch.
Điều khiển đồng thời bằng khoá chốt là đảm bảo dữ liệu dùng chung cho các
thao tác tương tranh chỉ được truy xuất một lần một giao dịch. Điều này được thực
hiện bằng cách liên kết một khoá chốt với mỗi đơn vị khoá. Khoá này được giao
dịch đặt ra trước khi nó truy xuất và được điều chỉnh lại vào lúc nó hết giao dịch.
Và mặc nhiên là một đơn vị khoá không thể truy xuất được nếu đã bị khoá bởi một
giao dịch khác. Vì vậy, yêu cầu khoá của một giao dịch chỉ được trao nếu khoá đi
kèm hiện không bị một giao dịch nào khác giữ.
Tuy nhiên, do mới bước đầu tiếp cận nên có rất nhiều kiến thức liên quan mà
tôi chưa kịp nghiên cứu một cách cặn kẽ. Vì vậy rất mong nhận được nhiều ý kiến
đóng góp và hướng dẫn của PGS.TS Lê Văn Sơn và các bạn ./.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -20-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
TÀI LIỆU THAM KHẢO
= G:4O
[ 1 ] – Bài giảng, Giáo trình Hệ Phân Tán của PGS. TS Lê Văn Sơn.

[ 2 ] – TS Lê Văn Sơn, Hệ tin học phân tán, NXB Đại học quốc gia Thành
phố Hồ Chí Minh, 2002.
[ 3 ] - TS Đỗ Phúc, Tài liệu môn học CSDL nâng cao – ĐHQG TP HCM.
[ 4 ] - Trần Đức Quang, Nguyên lý các hệ cơ sở dữ liệu phân tán (Tập 2),
NXB Thống kê, 2000.
[ 5 ] - J.Liedtke, Distributed System, University of Kalrsruhe, 2001.
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -21-
Tiểu luận Hệ Phân Tán – Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài
MỤC LỤC

Trang bìa ………………………………………………………… Trang 1
Lời mở đầu ………………………………………………………… Trang 2

Phần I: Điều khiển đồng thời bằng cơ chế then cài ………………. Trang 3
I. Tổng quan về cơ chế then cài …………………………………… Trang 3
II. Cơ chế then cài …………………………………………………. Trang 3
1. Loại trừ tương hỗ …………………………………………… Trang 4
2. Then cài chọn lựa các đối tượng ……………………………. Trang 4
3. Giao dịch 2 pha …………………………………………… Trang 5
Phần II: Sử dụng bộ quản lý khóa cơ bản Trang 7
I. Tổng quan Trang 7
II. Sử dụng bộ quản lý khóa cơ bản Trang 9
III. Những điểm cần cải tiến Trang 13
Kết luận Trang 20
Tài liệu tham khảo Trang 21
 Võ Minh Trang – Khoa học máy tính Khóa 24 -22-