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操作系统（26）数据一致性控制

article 2025/1/4 5:32:06

前言

操作系统数据一致性控制是确保在计算机系统中，数据在不同的操作和处理过程中始终保持正确和完整的一种机制。

一、数据一致性的重要性

在当今数字化的时代，操作系统作为计算机系统的核心，负责管理和协调各种资源，以确保计算机能够高效、稳定地运行。数据一致性控制对于保证系统的正确性和可靠性具有不可忽视的作用。如果数据在操作过程中出现了不一致的情况，比如部分数据丢失、重复或者错误，将会给用户带来极大的困扰，甚至可能导致工作失败。

二、数据一致性的定义

数据一致性指的是在多个地方存储的同一数据项在任何时刻都保持相同的值。这包括了数据的准确性、完整性、一致性和可用性。具体来说：

准确性：数据必须是正确的，没有错误或偏差。
完整性：数据没有缺失或遗漏的部分。
一致性：数据在不同的地方和不同的操作中表现出相同的逻辑和语义。
可用性：数据能够在需要的时候被及时访问和使用。

三、实现数据一致性控制的方法

事务处理

定义：事务是一系列相关的操作，这些操作作为一个整体被执行，要么全部成功，要么全部失败。

特性：

原子性：事务中的所有操作要么全部完成，要么全部不做，不会结束在中间某个环节。
一致性：事务必须使数据库从一个一致性状态变换到另一个一致性状态。
隔离性：并发执行的事务之间不应该互相干扰。
持久性：事务一旦提交，其结果就是永久性的。

实现机制：为了实现上述特性，系统采用事务记录或日志（Log）机制。这些记录存储在稳定存储器中，记录了事务运行时对数据项所做的所有修改。每条记录包括事务名、数据项名、旧值和新值。

恢复算法：利用事务记录，系统可以在发生故障时，通过两个基本过程undo和redo来恢复数据。

undo（T）：将所有被事务T修改过的数据恢复到修改前的值。
redo（T）：将所有被事务T修改过的数据设置为新值。

并发控制

定义：并发控制是多用户系统和计算机网络环境中保证数据一致性和完整性的关键技术。

实现机制：

互斥锁：每个共享对象都配备一把互斥锁。当事务尝试访问某个对象时，它必须首先获得该对象的互斥锁。如果获取成功，事务便可以对该对象执行读或写操作；而其他事务则因为无法获得锁而无法访问该对象。
共享锁：允许多个事务同时读取同一数据项，但阻止任何事务对这些数据项进行修改。当一个对象被共享锁保护时，任何试图写入该对象的事务都必须等待，直到所有的共享锁被释放。

检查点机制

定义：检查点是在数据库和系统恢复过程中至关重要的机制，通过定期设置检查点，系统能够在发生故障时快速有效地恢复到一个一致性的状态，而无需重新执行或撤销所有事务。

作用：

简化系统故障后的恢复过程。
显著减少恢复时间，减轻系统的计算负担。

实现方式：

将当前所有事务记录从易失性存储器（例如内存）输出到稳定存储器（例如硬盘）。
将所有已修改但尚未持久化到稳定存储器中的数据输出到稳定存储器。
在事务记录表中输出一个检查点记录到稳定存储器。