硬件支持的并发控制机制.pptx

数智创新变革未来硬件支持的并发控制机制1.并发控制的必要性1.基于锁的乐观并发控制1.基于锁的悲观并发控制1.基于时间戳的乐观并发控制1.无锁并发控制1.硬件事务内存1.非一致性内存模型1.硬件支持的并发控制机制应用Contents Page目录页 并发控制的必要性硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制并发控制的必要性主题名称：资源访问冲突1.并发环境中，多个进程或线程同时访问共享资源，可能导致数据不一致性或系统故障2.例如，两个进程同时向同一文件写入不同数据，导致文件内容丢失或损坏主题名称：死锁1.在并发环境中，多个进程或线程相互等待资源，导致系统陷入僵局状态，无法继续执行2.例如，进程A等待进程B释放资源R1，而进程B等待进程A释放资源R2，形成死锁并发控制的必要性主题名称：脏读1.一个进程读取了另一个进程尚未提交的事务中更新的数据，导致读取到的是不完整或不一致的数据2.例如，进程A更新了数据库中的某条记录，但尚未提交事务，进程B读到了这条尚未提交的记录，导致B的操作基于错误数据进行主题名称：不可重复读1.一个进程在同一个事务中多次读取同一数据项，由于另一个进程对该数据项进行了修改，导致读取到的数据不一致。

2.例如，进程A在一个事务中两次读取某个银行账户余额，在这两次读取之间，进程B从该账户转出了一些资金，导致A读到的余额不一致并发控制的必要性主题名称：幻读1.一个进程在两个事务之间读取数据，由于另一个进程在该事务期间插入了新的数据项，导致读取到了之前不存在的数据项2.例如，进程A在一个事务中两次读取数据库中的所有客户记录，在这两次读取之间，进程B插入了一条新的客户记录，导致A的第二次读取结果出现了新的记录主题名称：并发控制的必要性1.为了确保并发环境中数据的完整性和一致性，必须实现并发控制机制基于锁的乐观并发控制硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制基于锁的乐观并发控制基于锁的乐观并发控制1.乐观并发控制（OptimisticConcurrencyControl，OCC）是一种并发控制机制，它假设在多个事务同时操作同一数据时，不会发生冲突2.在OCC中，每个事务在读取数据时不加锁，而是在提交事务时才检查是否存在冲突3.如果在提交事务时检测到冲突，OCC将回滚事务并重新执行多版本并发控制1.多版本并发控制（Multi-VersionConcurrencyControl，MVCC）是一种OCC机制，它通过为每个数据项维护多个版本来避免写入冲突。

2.当一个事务读取数据时，它将获得该数据的旧版本，从而避免与同时进行的写入事务相冲突3.MVCC允许多个事务同时对同一数据项进行读取和写入，从而提高并发性基于锁的乐观并发控制时间戳并发控制1.时间戳并发控制（Timestamp-BasedConcurrencyControl，TBCC）是一种OCC机制，它为每个事务分配一个唯一的时间戳2.当一个事务读取数据时，它将记录读取时间戳在提交事务时，事务将检查其时间戳是否早于其他事务读取该数据的最近时间戳3.如果事务时间戳较旧，则它将被中止，否则将被提交基于锁的悲观并发控制1.基于锁的悲观并发控制（PessimisticConcurrencyControl，PCC）是一种并发控制机制，它假设在多个事务同时操作同一数据时，会发生冲突2.在PCC中，每个事务在读取数据时立即加锁，确保其他事务在事务完成之前无法修改数据3.PCC保证了数据一致性，但可能降低并发性基于锁的乐观并发控制基于锁的混合并发控制1.基于锁的混合并发控制（HybridConcurrencyControl）是一种同时使用OCC和PCC机制的并发控制机制2.混合并发控制通过将OCC用于读取操作和PCC用于写入操作，在提高并发性和保证数据一致性之间取得平衡。

3.混合并发控制比纯PCC机制具有更好的并发性，同时比纯OCC机制具有更好的数据一致性保证基于无锁并发控制1.基于无锁并发控制（Non-LockingConcurrencyControl，NLC）是一种不使用锁的并发控制机制2.NLC通过使用乐观锁或事务性内存等技术，实现无锁并发访问数据基于时间戳的乐观并发控制硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制基于时间戳的乐观并发控制乐观并发控制的基本原理-与悲观并发控制不同，乐观并发控制允许事务在没有锁的情况下执行事务在读取阶段不获取锁，只有在提交阶段才检查是否有冲突如果检测到冲突，事务将回滚并重试基于时间戳的乐观并发控制-每条记录都有一个时间戳，表示其最后修改的时间事务在读取数据时记录时间戳在提交阶段，事务验证其读取的时间戳是否与数据库中记录的时间戳匹配如果时间戳不匹配，则表示发生了冲突，事务将回滚并重试基于时间戳的乐观并发控制基于时间戳的并发控制的优点-提高并发性，因为事务在执行过程中不需要持有锁减少死锁的可能性，因为事务不会因为锁冲突而阻塞提高吞吐量，因为多个事务可以在没有竞争的情况下同时执行基于时间戳的并发控制的缺点-回滚开销较大，因为冲突事务需要完全回滚并重试。

可能出现幽灵冲突，即两个事务读到了相同的数据，但由于时间戳不同而没有检测到冲突难以处理长期事务，因为时间戳可能会变得过时基于时间戳的乐观并发控制-可伸缩时间戳并发控制（S-TCC），它允许在分布式系统中实现基于时间戳的并发控制多版本并发控制（MVCC），它通过维护数据的多个版本来解决幽灵冲突问题乐观并发控制与其他并发控制机制的混合，如多版本并发控制，以提高性能和可伸缩性基于时间戳的并发控制的最新进展 无锁并发控制硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制无锁并发控制乐观并发控制：1.在事务结束时进行冲突检查和纠正2.事务通常无需加锁，性能较高3.适用于冲突概率较低的场景多版本并发控制：1.为每个数据项维护多个版本2.事务读取特定版本的快照，避免读写冲突3.适用于对历史数据访问频繁的场景无锁并发控制时间戳并发控制：1.为每个事务分配唯一时间戳2.先提交的事务拥有更高优先级，冲突时后提交的事务回滚3.容易产生死锁，需要使用超时机制令牌环并发控制：1.使用令牌环传递访问权限2.拥有令牌的事务可以访问临界区，释放令牌后下一事务才能访问3.保证访问顺序，避免死锁无锁并发控制锁粒度并发控制：1.控制锁定的数据粒度，如表级、行级、字段级。

2.粒度越细，并发性越高，但性能开销也越大3.根据实际场景选择合适的锁粒度非阻塞算法并发控制：1.使用特殊的数据结构，如无锁队列或链表2.避免使用传统互斥锁，提高并发性硬件事务内存硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制硬件事务内存硬件事务内存：1.事务内存是一种硬件支持的并发控制机制，可简化多线程编程并提高程序效率2.事务内存提供了原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）保证，确保线程间数据的共享和更新保持一致，从而消除共享数据竞争和死锁风险3.事务内存通过实现硬件事务化指令和硬件队列来实现事务管理，将并发控制机制从软件层转移到硬件层，从而减少软件开销和提高性能硬件乐观并发控制：1.乐观并发控制是一种流行的并发控制方法，它允许事务在未获取锁定的情况下对共享数据进行读取和写入操作2.硬件乐观并发控制通过硬件支持提供乐观并发，在硬件级别实现了检查和更新操作，从而减少软件开销和提高性能3.硬件乐观并发控制可以并行执行多个事务，从而提高吞吐量和减少延迟，特别适合读取密集型工作负载和高争用环境硬件事务内存硬件悲观并发控制：1.悲观并发控制是一种传统的并发控制方法，它要求事务在修改共享数据之前先获取锁，以防止其他事务并发访问和更新相同的数据。

2.硬件悲观并发控制通过硬件支持提供悲观并发，在硬件级别实现了锁定和解锁操作，从而减少软件开销和提高性能3.硬件悲观并发控制可以保证数据的一致性和完整性，防止多个事务同时修改共享数据，但可能导致较高的锁争用和死锁风险，适用于数据完整性和一致性至关重要的场景硬件锁优化：1.锁优化是提高共享数据访问性能的一种技术，它通过减少锁争用和提高锁获取效率来提升并发应用程序的性能2.硬件锁优化通过硬件支持提供锁优化，在硬件级别实现了锁操作，从而减少软件开销和提高性能3.硬件锁优化可以提供更快的锁获取和释放机制，如非阻塞锁、自旋锁和读写锁，从而减少锁争用和提高并发性硬件事务内存硬件可扩展性：1.可扩展性是指系统处理并发事务的能力，随着事务数量的增加，系统性能不会显著下降2.硬件可扩展性通过硬件支持提供可扩展性，在硬件级别实现了并发控制机制和锁管理，从而减少软件开销和提高性能3.硬件可扩展性可以将并发控制机制分布在多个处理单元上，以提高吞吐量和减少延迟，适用于需要处理大量并发的应用程序硬件高级特性：1.硬件事务内存和并发控制机制仍在不断发展，新的特性和技术正在涌现2.高级特性包括对嵌套事务、快照隔离和多版本并发控制的支持，这些特性可以进一步提高并发应用程序的性能和可扩展性。

非一致性内存模型硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制非一致性内存模型非一致性内存模型1.硬件支持：非一致性内存模型（Non-UniformMemoryAccess，NUMA）通过硬件架构支持多个处理器节点同时访问共享内存，允许处理器节点拥有自己的本地缓存和内存2.内存可见性：NUMA系统中，每个处理器节点只能直接访问自己的本地内存，其他节点的内存需要通过一致性协议进行访问这导致了内存可见性的挑战，当一个处理器节点修改了内存数据时，其他节点可能无法立即看到更新3.一致性策略：为了解决内存可见性问题，NUMA系统提供了不同的一致性策略，例如顺序一致性、因果一致性和松散一致性这些策略定义了对内存修改的可见性要求，从而确保处理器节点之间数据的正确性1.2.3.硬件支持的并发控制机制应用硬件支持的并硬件支持的并发发控制机制控制机制硬件支持的并发控制机制应用1.硬件支持的并发控制机制在数据库系统中起到至关重要的作用，可以有效提高系统的并发性能和数据完整性2.常见于数据库管理系统（DBMS）中，如锁机制、事务日志和时间戳等技术3.有助于确保多个用户同时访问和操作数据库时数据的正确性和一致性事务处理系统1.在事务处理系统中，硬件支持的并发控制机制至关重要，可以保证事务的原子性、一致性、隔离性和持久性（ACID）。

2.事务日志和锁机制等技术被广泛应用于事务处理系统，以确保事务的正确执行和恢复3.帮助提高事务处理系统的吞吐量和可靠性，满足企业级高并发系统的要求数据库系统硬件支持的并发控制机制应用1.在实时系统中，硬件支持的并发控制机制对于保证系统的实时性和数据可靠性至关重要2.例如，时间戳和优先级继承等技术可用于控制并发访问，确保关键数据在正确的时间得到更新3.有助于满足实时系统对时间限制和数据一致性的严格要求云计算1.随着云计算的普及，硬件支持的并发控制机制在云平台上也得到了广泛应用2.云平台提供商利用虚拟化技术和分布式存储，结合锁服务和事务协调等机制，保证了多租户环境下数据的安全性和隔离性3.有助于构建高可用、可扩展且安全的云计算系统实时系统硬件支持的并发控制机制应用大数据处理1.在大数据处理中，硬件支持的并发控制机制面临着海量数据和分布式计算的挑战2.出现了新的并发控制范式，如乐观并发控制和多版本并发控制，以解决大数据场景下的并发问题3.有助于提高大数据处理系统的性能和可扩展性，满足海量数据的并发处理需求人工智能1.硬件支持的并发控制机制在人工智能领域也发挥着重要作用，特别是涉及分布式机器学习和深度学习。

2.并发控制技术有助于协调多台机器上的训练过程，保证模型训练的正确性和效率3.有助于构建高性能、可扩展的人工智能系统，应对复杂数据集和模型训练的挑战感谢聆听Thankyou数智创新变革未来。