基于时间戳的并发控制算法实现

简介

基于时间戳的并发控制算法是一种用于数据库管理系统中的并发控制机制，通过为每个事务分配一个唯一的时间戳来确保事务操作的顺序，从而避免冲突并保持数据的一致性。

核心思想：

• 时间戳顺序控制：每个事务在启动时被赋予一个时间戳，较小时间戳的事务表示较早启动，较大时间戳的事务表示较晚启动。事务的操作（如读、写）根据时间戳的顺序执行，较早的事务优先执行。

• 冲突检测与撤回：通过比较事务时间戳与数据元素的时间戳（读、写时间戳），判断事务操作是否满足条件：

  • 读操作：允许事务读数据的前提是事务的时间戳大于等于数据元素的写时间戳，确保读取的数据是最新的。
  • 写操作：允许事务写数据的前提是事务的时间戳大于等于数据元素的读时间戳和写时间戳，避免覆盖其他事务的操作。

• 撤回冲突事务：如果时间戳不满足条件（例如，较小时间戳的事务尝试写入已经被较大时间戳事务修改的数据），则会撤回冲突的事务操作，保证数据一致性。

代码结构

DataElement 类：

• 该类表示数据元素，包含两个重要的时间戳：readTimestamp 和 writeTimestamp，分别表示该数据元素的最后读操作时间戳和写操作时间戳。
• 使用 AtomicLong 来存储这些时间戳，以保证线程安全。
• 提供了 getReadTimestamp() 和 getWriteTimestamp() 方法来获取时间戳，setReadTimestamp(long timestamp) 和 setWriteTimestamp(long timestamp) 方法来更新时间戳。

Transaction 类：

• 该类表示一个事务，包含一个 timestamp（时间戳）属性，用于标识事务的顺序。
• 时间戳越小的事务越早执行，事务的时间戳用于判断事务是否能对数据元素执行操作。

TimestampConcurrencyControl 类：

• 该类实现了基于时间戳的并发控制逻辑。
• read() 方法：该方法判断一个事务是否可以对数据元素执行读操作。只有当事务的时间戳大于等于数据元素的写时间戳时，才允许读操作。如果操作冲突，事务会被撤回。
• write() 方法：该方法判断一个事务是否可以对数据元素执行写操作。只有当事务的时间戳大于等于数据元素的读时间戳和写时间戳时，才允许写操作。如果操作冲突，事务会被撤回。

代码实现

 import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
 ​
 // 数据元素类，包含RT和WT两个时间戳
 class DataElement {
     private AtomicLong readTimestamp;
     private AtomicLong writeTimestamp;
 ​
     public DataElement() {
         this.readTimestamp = new AtomicLong(0);
         this.writeTimestamp = new AtomicLong(0);
     }
 ​
     public long getReadTimestamp() {
         return readTimestamp.get();
     }
 ​
     public long getWriteTimestamp() {
         return writeTimestamp.get();
     }
 ​
     public void setReadTimestamp(long timestamp) {
         readTimestamp.set(timestamp);
     }
 ​
     public void setWriteTimestamp(long timestamp) {
         writeTimestamp.set(timestamp);
     }
 }
 ​
 // 事务类，包含事务的时间戳
 class Transaction {
     private final long timestamp;
 ​
     public Transaction(long timestamp) {
         this.timestamp = timestamp;
     }
 ​
     public long getTimestamp() {
         return timestamp;
     }
 }
 ​
 // 事务控制类
 public class TimestampConcurrencyControl {
     public boolean read(Transaction T, DataElement x) {
         long TS = T.getTimestamp();
         long WT = x.getWriteTimestamp();
 ​
         if (TS >= WT) { // 若TS大，则允许读操作
             x.setReadTimestamp(Math.max(x.getReadTimestamp(), TS));
             System.out.println("允许事务TS=" + TS + "的读操作");
             return true;
         } else {
             System.out.println("读操作发生冲突，事务TS=" + TS + "被撤回");
             return false; // 冲突，事务撤回
         }
     }
 ​
     public boolean write(Transaction T, DataElement x) {
         long TS = T.getTimestamp();
         long RT = x.getReadTimestamp();
         long WT = x.getWriteTimestamp();
 ​
         if (TS >= RT && TS >= WT) { // 若TS大，则允许写操作
             x.setWriteTimestamp(TS);
             System.out.println("允许事务TS=" + TS + "的写操作");
             return true;
         } else {
             System.out.println("写操作发生冲突，事务TS=" + TS + "被撤回");
             return false; // 冲突，事务撤回
         }
     }
 }
 ​

测试1

测试数据包括两个事务 T1（时间戳1）和 T2（时间戳2），对同一数据元素 x 进行顺序读写操作。结果显示，两个事务按时间戳顺序成功完成操作，无并发冲突

测试2

测试数据包括两个事务 T1（时间戳1）和 T2（时间戳2），对同一数据元素 x 进行读写操作。结果显示，T1 成功读取数据，T2 成功写入数据，但由于 T1 的写操作发生时间戳冲突（其时间戳小于 T2 的写时间戳），导致 T1 的写操作被撤回。

测试3

测试数据包括两个事务 T1（时间戳1）和 T2（时间戳2），对同一数据元素 x 进行读写操作。结果显示，T1 和 T2 都成功读取数据，但由于 T1 在执行写操作时，时间戳小于 T2 的读时间戳，导致写操作发生冲突并被撤回。