数据库管理系统 - 死锁：理解与预防数据库瓶颈

你好，有抱负的数据库爱好者们！我很高兴能引导你们进入数据库管理系统（DBMS）的迷人世界，以及其中最棘手的概念之一：死锁。如果你是编程新手，不用担心；我们会从基础开始，逐步深入。在本教程结束时，你将成为一名死锁侦探，能够发现并预防这些烦人的数据库瓶颈！

什么是死锁？

想象一下，你和你的朋友坐在一张只有一把叉子和一把刀的桌子前。你们都需要这两个餐具才能吃饭，但你们每个人都拿着一个，并且拒绝放手，直到你得到另一个。这在数据库世界中本质上就是死锁！

在DBMS术语中，死锁发生在两个或更多的事务正在等待对方释放它们持有的资源时。这就像数字版的墨西哥摊牌，没有人能向前移动。

让我们来看一个简单的例子：

-- 事务1
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 100 WHERE AccountID = 1;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance + 100 WHERE AccountID = 2;
COMMIT;

-- 事务2
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 50 WHERE AccountID = 2;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance + 50 WHERE AccountID = 1;
COMMIT;

在这个场景中，如果事务1更新账户1，而事务2同时更新账户2，它们可能会无限期地等待对方，从而创建一个死锁。

死锁预防

既然我们理解了什么是死锁，那么让我们来探讨如何预防它。死锁预防涉及以消除死锁发生可能性方式来构建系统。

1. 资源排序

一种有效的方法是总是按照特定的顺序请求资源。这就像告诉我们的用餐者总是先拿起叉子，然后是刀。这样，他们就不会处于彼此拿着对方所需餐具的情况。

以下是我们如何重写前面的例子以预防死锁：

-- 事务1
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 100 WHERE AccountID = 1;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance + 100 WHERE AccountID = 2;
COMMIT;

-- 事务2
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 50 WHERE AccountID = 1;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance + 50 WHERE AccountID = 2;
COMMIT;

通过总是在更新账户2之前更新账户1，我们确保事务不会死锁。

2. 锁超时

另一种预防方法是使用锁超时。这就像告诉我们的用餐者：“如果你在5分钟内无法得到两个餐具，那就放弃，稍后再试。”

在SQL Server中，你可以这样设置锁超时：

SET LOCK_TIMEOUT 5000; -- 设置超时为5秒

这样，如果一个事务在5秒内无法获取锁，它将自动回滚，防止潜在的死锁。

3. 减少锁持续时间

资源被锁定的时间越短，发生死锁的机会就越小。这就像告诉我们的用餐者吃快点！在数据库术语中，这意味着保持事务尽可能短。

以下是如何减少锁持续时间的例子：

-- 而不是这样：
BEGIN TRANSACTION;
-- 执行一些长时间的处理
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 100 WHERE AccountID = 1;
COMMIT;

-- 这样做：
-- 执行一些长时间的处理
BEGIN TRANSACTION;
UPDATE Accounts SET Balance = Balance - 100 WHERE AccountID = 1;
COMMIT;

通过将长时间的处理移到事务之外，我们减少了锁的持有时间。

死锁避免

虽然预防旨在使死锁不可能发生，但避免则是在运行时做出智能决策以避开潜在的死锁。

1. 等待-死亡方案

在这个方案中，较老的事务被给予优先权。如果一个较年轻的事务请求一个较老事务持有的资源，它将“死亡”（回滚）并重新启动。如果一个较老的事务请求一个较年轻事务持有的资源，它将等待。

以下是一个伪代码表示：

def request_resource(transaction, resource):
if resource.is_held_by_younger_transaction(transaction):
wait(transaction, resource)
else:
die_and_restart(transaction)

2. 伤害-等待方案

这是等待-死亡的相反方案。较老的事务“伤害”（回滚）较年轻的事务，而较年轻的事务等待较老的事务。

def request_resource(transaction, resource):
if resource.is_held_by_younger_transaction(transaction):
wound(resource.holder)
else:
wait(transaction, resource)

3. 银行家算法

这个聪明的算法，以银行贷款实践命名，决定是否同意资源请求可能会导致死锁。如果是，则拒绝请求。

以下是一个简化的银行家算法：

def is_safe_state(available, max_need, allocation):
work = available.copy()
finish = [False] * len(allocation)

while True:
found = False
for i in range(len(allocation)):
if not finish[i] and (max_need[i] - allocation[i] <= work).all():
work += allocation[i]
finish[i] = True
found = True

if not found:
break

return all(finish)

def request_resources(process_id, request):
if request > max_need[process_id] - allocation[process_id]:
return False  # 请求超出最大声明

if request > available:
return False  # 资源不可用

# 临时分配资源
available -= request
allocation[process_id] += request

if is_safe_state(available, max_need, allocation):
return True  # 同意请求
else:
# 撤销更改并拒绝请求
available += request
allocation[process_id] -= request
return False

这个算法检查同意请求是否会留下系统处于安全状态（所有进程都可以完成）。如果不是，它拒绝请求。

结论

恭喜你！你已经迈出了进入死锁预防与避免世界的第一步。记住，处理死锁就像在繁忙的十字路口当交通警察。有时你需要预防问题发生（比如设置交通信号灯），有时你需要快速决策以避免事故（比如手动指挥交通）。

在你继续数据库管理之旅时，你会遇到更复杂的场景，但我们在这里讨论的原则将为你的坚实基础。继续练习，保持好奇心，不要害怕尝试。毕竟，每个伟大的数据库管理员都是从你现在的地方开始的！

快乐编码，愿你的事务永远无死锁！

Credits: Image by storyset