封锁是实现并发控制的重要技术，通过对数据对象加锁来限制其他事务对该对象的访问

封锁是实现并发控制的重要技术，通过对数据对象加锁来限制其他事务对该对象的访问。常见的封锁协议分为三级：

• 一级封锁协议：事务在修改数据R之前必须先对其加X锁（排他锁），直到事务结束才释放。一级封锁协议可以解决丢失修改问题，但无法保证可重复读和防止读脏数据。
• 二级封锁协议：在一级封锁协议的基础上，事务在读数据R之前必须先对其加S锁（共享锁），读完后即可释放S锁。二级封锁协议除了防止丢失修改外，还可以解决读脏数据问题，但无法保证可重复读。
• 三级封锁协议：在一级封锁协议的基础上，事务在读数据R之前必须先对其加S锁，直到事务结束时才释放S锁。三级封锁协议除了防止丢失修改和读脏数据外，还进一步防止了不可重复读问题。

2. 活锁与死锁

• 活锁：指当事务T₁封锁了数据R时，事务T₂请求封锁R，于是T₂等待；当T₁释放了R上的封锁后，系统首先批准了T₃请求，T₂仍等待；当T₃释放了R上的封锁后，又批准了T₄请求，依此类推，使得T₂可能永远等待的现象。活锁可以通过先来先服务的封锁请求调度策略避免。
• 死锁：指两个以上的事务分别请求封锁对方已经封锁的数据，导致长期等待而无法继续运行下去的现象。死锁的四个必要条件是：互斥条件、请求和保持条件、不可剥夺条件、循环等待条件。可以通过一次封锁法、顺序封锁法等策略预防死锁，也可通过超时法、等待图法检测死锁并解除。

3. 并发调度的可串行性

多个事务的并发执行是正确的，当且仅当其结果与某一次序串行执行它们时的结果相同，这种调度策略称为可串行化的调度。可串行性是并发事务正确性的准则，按这个准则规定，一个给定的并发调度，当且仅当它是可串行化的才认为是正确调度。

4. 两段封锁协议

所谓两段封锁协议，是指所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁：

• 第一阶段（获得封锁）：事务可以获得任何数据项上的任何类型的锁，但不能释放。
• 第二阶段（释放封锁）：事务可以释放任何数据项上的任何类型的锁，但不能申请。
  两段锁协议是保证并发调度可串行性的充分条件，遵循两段锁协议的事务调度一定是可串行化的。

5. 封锁的粒度

封锁对象的大小称为封锁的粒度。封锁的对象可以是逻辑单元（如属性、元组、关系、索引项、整个索引甚至整个数据库），也可以是物理单元（如数据页或索引页）。封锁粒度与系统的并发度和开销密切相关：粒度越小，并发度越高，但锁管理开销也越大；粒度越大，并发度越低，锁管理开销越小。

二、考试试题

（一）单项选择题（每题2分，共20分）

1. 在数据库系统中，解决并发操作带来的数据不一致问题普遍采用（ ）技术。
   A. 封锁
   B. 存取控制
   C. 恢复
   D. 协商
2. 一级封锁协议可以解决以下哪种并发问题（ ）。
   A. 丢失修改
   B. 不可重复读
   C. 读脏数据
   D. 死锁
3. 二级封锁协议在一级封锁协议的基础上增加了（ ）。
   A. 事务在修改数据R之前必须先对其加X锁，直到事务结束才释放
   B. 事务在读数据R之前必须先对其加S锁，读完后即可释放S锁
   C. 事务在读数据R之前必须先对其加S锁，直到事务结束才释放S锁
   D. 事务在读数据R之前必须先对其加X锁，读完后即可释放X锁
4. 以下哪种封锁协议可以同时解决丢失修改、读脏数据和不可重复读问题（ ）。
   A. 一级封锁协议
   B. 二级封锁协议
   C. 三级封锁协议
   D. 两段封锁协议
5. 关于两段封锁协议，以下说法错误的是（ ）。
   A. 事务分为两个阶段：获得封锁阶段和释放封锁阶段
   B. 获得封锁阶段只能申请锁，不能释放锁
   C. 释放封锁阶段只能释放锁，不能申请锁
   D. 遵循两段封锁协议的调度一定是正确的，不会发生死锁
6. 以下哪种情况会导致活锁（ ）。
   A. 事务T1持有锁L1，请求锁L2；事务T2持有锁L2，请求锁L1
   B. 事务T1封锁了数据R，事务T2请求封锁R，T1释放R后系统总是优先批准其他事务的封锁请求，导致T2长期等待
   C. 两个事务同时读取同一数据项
   D. 两个事务同时修改同一数据项
7. 可串行化调度是指（ ）。
   A. 多个事务串行执行的调度
   B. 多个事务并发执行的结果与某一次序串行执行的结果相同
   C. 多个事务按照时间顺序依次执行
   D. 多个事务不会发生冲突的调度
8. 如果事务T获得了数据项Q上的排他锁（X锁），则T对Q（ ）。
   A. 只能读不能写
   B. 只能写不能读
   C. 既可读又可写
   D. 不能读也不能写
9. 以下哪种操作不会发生冲突（ ）。
   A. T1正在写A，T2要读A
   B. T1正在写A，T2也要写A
   C. T1正在读A，T2要写A
   D. T1正在读A，T2也要读A
10. 死锁的四个必要条件中，不包括（ ）。
    A. 互斥条件
    B. 可剥夺条件
    C. 请求和保持条件
    D. 循环等待条件

（二）多项选择题（每题3分，共15分）

1. 并发操作可能带来的数据不一致性问题包括（ ）。
   A. 丢失修改
   B. 不可重复读
   C. 读脏数据
   D. 死锁
   E. 活锁
2. 常见的封锁类型包括（ ）。
   A. 共享锁（S锁）
   B. 排他锁（X锁）
   C. 读写锁
   D. 意向锁
   E. 时间戳
3. 以下关于封锁粒度的说法正确的是（ ）。
   A. 封锁粒度越大，系统的并发度越高
   B. 封锁粒度越小，系统的并发度越高
   C. 封锁粒度越大，锁管理的开销越小
   D. 封锁粒度越小，锁管理的开销越小
   E. 选择封锁粒度时需要在并发度和锁开销之间进行权衡
4. 死锁的预防策略包括（ ）。
   A. 一次封锁法
   B. 顺序封锁法
   C. 先来先服务
   D. 超时法
   E. 等待图法
5. 以下关于两段封锁协议的说法正确的是（ ）。
   A. 两段封锁协议是保证调度可串行性的充分条件
   B. 遵循两段封锁协议的调度一定是可串行化的
   C. 遵循两段封锁协议的调度不会发生死锁
   D. 两段封锁协议要求所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁
   E. 两段封锁协议中，事务在释放锁之后不能再申请任何锁

（三）判断题（每题2分，共10分）

1. 一级封锁协议可以防止读脏数据问题。（ ）
2. 二级封锁协议可以保证可重复读。（ ）
3. 三级封锁协议要求事务在读数据前加S锁，直到事务结束才释放。（ ）
4. 可串行性是并发事务正确性的判断准则。（ ）
5. 两段封锁协议可以避免死锁的发生。（ ）

（四）简答题（每题5分，共20分）

1. 简述三级封锁协议的内容以及各自能解决的并发问题。
2. 解释活锁和死锁的概念，并说明如何预防和解决。
3. 什么是可串行化调度？为什么可串行化调度是正确的？
4. 简述两段封锁协议的内容及其作用。

（五）综合题（每题15分，共15分）

设有两个事务T1和T2，其操作序列如下：
T1：读A；A = A - 100；写回A；读B；B = B + 100；写回B；
T2：读B；B = B - 100；写回B；读A；A = A + 100；写回A；
假设A和B的初始值都为1000。

1. 如果这两个事务串行执行（先执行T1再执行T2，或先执行T2再执行T1），请分别计算执行后的A和B的值。
2. 现有一个并发调度如下：
   T1读A → T2读B → T1写回A → T2写回B → T1读B → T2读A → T1写回B → T2写回A
   请计算该调度执行后的A和B的值，并判断该调度是否是可串行化调度，说明理由。
3. 如果使用三级封锁协议，请描述上述并发调度的执行过程，并说明最终结果是否正确。

三、试题答案

（一）单项选择题答案

1. A
2. A
3. B
4. C
5. D
6. B
7. B
8. C
9. D
10. B

（二）多项选择题答案

1. ABC
2. AB
3. BCE
4. AB
5. ABDE

（三）判断题答案

1. × 解析：一级封锁协议只能解决丢失修改问题，无法防止读脏数据。
2. × 解析：二级封锁协议读完数据后即可释放S锁，无法保证可重复读。
3. √
4. √
5. × 解析：两段封锁协议不能避免死锁，反而可能增加死锁发生的概率。

（四）简答题答案

1. 三级封锁协议内容及解决的问题：
   • 一级封锁协议：事务在修改数据R之前必须先对其加X锁，直到事务结束才释放。可以解决丢失修改问题。
   • 二级封锁协议：在一级封锁协议基础上，事务在读数据R之前必须先对其加S锁，读完后即可释放S锁。可以解决丢失修改和读脏数据问题。
   • 三级封锁协议：在一级封锁协议基础上，事务在读数据R之前必须先对其加S锁，直到事务结束才释放S锁。可以解决丢失修改、读脏数据和不可重复读问题。
2. 活锁与死锁：
   • 活锁：指事务请求封锁数据时，由于其他事务不断获得该数据的封锁，导致该事务长期等待的现象。活锁可以通过先来先服务的调度策略避免。
   • 死锁：指两个或多个事务互相等待对方持有的封锁，导致都无法继续执行的现象。死锁的预防策略包括一次封锁法（事务一次性申请所有需要的锁）和顺序封锁法（规定所有事务按照相同顺序申请锁）；死锁的检测方法包括超时法和等待图法，检测到死锁后可以通过撤销代价最小的事务来解除死锁。
3. 可串行化调度：
   可串行化调度是指多个事务并发执行的结果，与某一次序串行执行这些事务的结果相同。由于串行执行的事务不会互相干扰，其结果一定是正确的，因此如果并发调度的结果与某一串行执行结果相同，那么该调度就是正确的。
4. 两段封锁协议：
   两段封锁协议要求所有事务必须分两个阶段对数据项加锁和解锁：第一阶段是获得封锁阶段，事务可以申请任何数据项上的任何类型的锁，但不能释放任何锁；第二阶段是释放封锁阶段，事务可以释放任何数据项上的任何类型的锁，但不能再申请任何锁。两段封锁协议是保证并发调度可串行性的充分条件，遵循两段封锁协议的调度一定是可串行化的。

（五）综合题答案

1. 串行执行结果：
   • 先执行T1再执行T2：
     T1执行后：A = 900，B = 1100
     T2执行后：B = 1000，A = 1000
     最终结果：A=1000，B=1000
   • 先执行T2再执行T1：
     T2执行后：B = 900，A = 1100
     T1执行后：A = 1000，B = 1000
     最终结果：A=1000，B=1000
2. 并发调度结果：
   执行过程：
   T1读A=1000 → T2读B=1000 → T1写回A=900 → T2写回B=900 → T1读B=900 → T2读A=900 → T1写回B=1000 → T2写回A=1000
   最终结果：A=1000，B=1000
   该调度是可串行化调度，因为其结果与两种串行执行的结果都相同。
3. 三级封锁协议下的执行过程：
   • T1开始，先申请A的X锁，获得后读A=1000，修改为900并写回。
   • T2开始，申请B的X锁，获得后读B=1000，修改为900并写回。
   • T1申请B的X锁，此时B已被T2加了X锁，T1等待。
   • T2申请A的X锁，此时A已被T1加了X锁，T2等待。
   • 此时发生死锁，两个事务都无法继续执行。系统需要检测到死锁并撤销其中一个事务，释放其持有的锁，另一个事务才能继续执行，最终结果会与串行执行结果一致，是正确的。