ContrôLe De La Concurence Sgbd Temps RéEl SystèMe Dexploiration

Systèmes d’exploitation m.a/ INFO 2306

« Le contrôle de la concurrence
dans les SGBD temps réel»
Namur, juin 2007
Pierre HALLEUX, pHalleux@info.fundp.ac.be

Présentation d’après l’article :
«Analyse des protocoles de contrôle de concurrence et des propriétés ACID
dans les SGBD temps réel,
C. DUVALLET*, Z. MAMMERI**, B. SADEG*
LIH, Facultés des Sciences et Techniques*,
IRIT Université Paul Sabatier Toulouse**»

Pierre HALLEUX

Professeur : Jean RAMAEKERS
Assistant : Hubert TOUSSAINT

Plan de la présentation

• 1. Introduction

• 2. Application temps réel

• 3. Données et transactions dans les SGBDTR
– Les données

– Les transactions

• 4. Protocoles de contrôle de concurrence et ordonnancement de transactions temps réel
– Problématique

– Techniques optimistes :OCC-BC, Wait 50, CCA

– Techniques pessimistes: Abandon par priorité, héritage de priorité

– Synthèse

• 5. Remarques concernant propriétés ACID dans les transactions temps réel

• 6. Conclusion

Systèmes d’exploitation (m.a) « Gestion de la concurrence dans les SGBD temps réels », Pierre Halleux, pHalleux@info.fundp.ac.be

1. Introduction & problématique (1/3)

• Depuis +- 10 ans : nouvelles applications, défi
contraintes temporelles
données de nature différentes
• Caricature d’un SGBTR :
SGBD traditionnel + système temps réel.
2 objectifs :
- Traiter transactions ACID
- Fonctionner en TR
• Application TR :
- Système contrôleur (le SI)
- Système contrôlé (l’environnement) : acquis par capteurs distribués
• But : effectuer des calculs, manipuler des données (ex : industrie…)
• Besoin : Cohérence logique & contrainte temporelle
besoin d’ordonnancement


1. Introduction (2/3)

Domaine d’application :
•
– Aéronautique (moteur d'avion), médical (un patient) , économique (système boursier), . . .

Exemple : « un système de contrôle de trafic aérien »
•

– Taille et le volume du trafic de l'espace aérien contrôlé complexité

– Système distribué : serveurs connectés via un réseau Contrôler le trafic
– Systèmes externes : stations météorologiques, radars : fournir 100 à 200 rapports/scrutation.

► Les serveurs - exploitent les données des radars (déduirent les trajectoires des avions)
- enregistrent les données sur des supports pour des analyses ultérieures.
► Les stations de travail - affichent des informations TR (trajectoires, alertes, météorologie,. . .).

L'application - manipule des quantités importantes d'informations
- fournit des résultats dans les temps.


1. Introduction (3/3)

Contraintes temporelles et durée de validité
•
– (! Résultats à temps) dérèglement de trafic collisions,…
Besoin ?
•
– Garantir la cohérence des données : gestionnaire de transactions pour éviter les conflits*
*Read/Write ou Write/Write


2. Application temps réel (1/2)

Application TR :
•
– Gérée par un système contrôleur (Système informatique)
– Agit sur son environnement (Système contrôlé)
Fonctionnement :
•
– Acquisition de données du système contrôlé à l'aide de capteurs
– Traitement des données avant la fin du délai
– Envoi d'ordre de commande sur l'environnement à l'aide d'actionneurs.
Etendue :
•
– du microcontrôleur qui permet le contrôle du système de freinage d'une voiture,
… au système réparti qui permet le contrôle du trafic aérien
Défiinition :
•
– « A real-time system is defined as a system whose correctness of the system depends not
only on the logical results of computations, but also on the time at which the results are
produced ».


2. Application temps réel (2/2)


3. Données et transactions dans SGBDTR (1/10)

A) Les données
• Un objet temporel : état peut devenir inexploitable au fil du temps.
Associé à un état et à un intervalle de validité temporel.
• Objet non-temporel : état reste valide au fil du temps.

• Les objets de base : objet qui reflètent des entités concrètes de l'environnement.
mis à jour périodiquement par les transactions qui lisent les capteurs.
Ex. : température, pression, . . .
• Les objets dérivés :
Des nouveaux objets dérivés à partir d'objets de base via les transactions.
Ex. : les données acquises sur la position et la vitesse d'objets en mouvement sont utilisées pour
dériver la nouvelle commande à appliquer au robot qui permet de déplacer ces objets.

• Déclenchement des transactions : ECA.

Ex. : Objets de base : point de départ, la vitesse et la trajectoire d'un avion. Objet dérivé : la position)



B) Les transactions
Type de transactions : selon l’importance accordées aux échéances et niveau d’interactions avec l’environnement
•

Conséquences
Transactions Echéance Exemple
sur environnement
Hard Stricte Graves Contrer un missile
& critique
Firm Stricte Négligeables Robot tapis
& non critique (on abort…) & roulant…

Soft Non-stricte Quasi nulles Système multimédia



B) Les transactions (suite…)
Modélisation à l’aide d’une fonction valeur
•



• Une transaction :
– ensemble d’actions (lecture, écriture, calcul)
– agir sur une base de données
– en gardant son état cohérent.
– se termine par « comit » ou « abort »
– Constituée de sous-transactions (ou pas)

• Dans les SGBDTR :
– deadline : hard,soft ou firm

• Plusieurs états liés :
– aux conflits d'accès aux données
– à la priorité de l'échéance.
Distinction des états :
active (en cours d'exécution),
wait (état bloqué),
commit,
rollback (annulation).



Echéances des transactions dans les SGBD temps réel
• les transactions possèdent des contraintes de temps (souvent sous forme d'échéances)
(Proviennent de deux sources)
– Contraintes temporelles liées à
L'environnement
•
(Ex: l'action qui corrige la trajectoire d'un robot téléguidé doit s'exécuter avant que le robot ne rentre en collision avec un obstacle),

Des choix de conception et d'implantation d'une application
•
(Ex; durée d'exécution d'une opération sur un processeur choisi ou délai de communication de messages).



• Exemple : échéances des transactions
– T : transaction de lecture qui doit produire un résultat
– Y et Z : données TR
– Lecture de Y à l’instant tb, de Z en tc dans l’environnement
– T a besoin de lire les deux données temps réel Y et Z pour produire un résultat. L
– Échéance de T : l'instant tf (initialement égale à 13),
– Durée de validité absolue : Y = 7 unités de temps, Z = 3 unités de temps.
Hyp:
– T commence en ta =1
– En tb = 4 T lit Y, son échéance devient 11 (Tb+7) (après 11 Y invalide…)
– En tc = 6 T lit Z, son échéance devient Tf =Tc +3 = 9 (après 9 Z invalide…)
– Si T ne finit pas avant t=9, alors elle est abandonnée
Nb: elle pourrait redémarrée, lire Y et Z en t=11 et t=12 et finir avant l’échéance finale tb=13



• Simulateur d’arrivée de transactions



• Double objectif d'un SGBDTR :
– Garantir l'exécution et la validation (avant leurs échéances) des transactions à échéances
strictes et critiques
– Minimiser le nombre de transactions
à échéances strictes et non-critiques
•
ou à échéances non-strictes
•
qui ratent leurs échéances.

• Essais à l’aide de SGBD classique?

Traiter encadrement des quantité importantes de données ☺
Objectif en terme de performances = t réponse moyen des transactions

• Délais variés en fonction du DA :
– La milliseconde pour les systèmes de radar,
– La seconde pour les systèmes de visualisation humaine,
– Quelques heures pour le contrôle de production impliquant des réactions chimiques,
– 24 heures pour les prévisions météo,
– Plusieurs mois ou années pour les systèmes de navigation de sonde spatiale,


4. Protocoles d’ordonnancement & contrôle de concurrence (1/15)

• Problématique:
– Accéder simultanément aux données stockées dans bd par plusieurs transactions.
Exécution concurrentes
•

• (1) SGBD Traditionnels :
– Cohérence & accès concurrents : ordonnancement sérialisable
Deux transactions sont sérialisable si le résultat de leur exécution concurrente
•
est le même que celui de leur exécution séquentielle.

• (2) SGBD TR :
– tous les ordonnancements sérialisables ne sont pas acceptables!
ceux qui ne respectent pas les contraintes temporelles des transactions sont rejetés.
•

Les techniques (1) ne sont donc pas directement applicables en (2)
Car il faut en (2) maintenir cohérence logique & temporelle !
Les techniques de (2) sont pessimistes ou optimistes



Méthodes 1 : Techniques « pessimistes »:
Hypothèse fondamentale :
Toute paire de transactions qui s'exécute en concurrence est susceptible de rentrer en conflit.

• Utilise des verrous pour empêcher les conflits potentiels :
– l'opération de lecture/ écriture est validée avant l'accès à la donnée.
– empêchent les conflits avant même qu'ils ne surviennent.
Verrous sur les données avant tout accès.
•

T accède à une donnée elle a obtenu un verrou sur cette donnée.
•
càd pas encore verrouillée par T’ avec un mode incompatible
Si verrou refusé : T doit attendre que la donnée se libère

(+) conflits sont détectés dès leur apparition: Garanti la validité de tous les accès aux données.
(-) Protocole quot;bloquantquot; : T mise en attente jusqu’à validation de T’



Méthodes 1 : Techniques « pessimistes »:
Hypothèse fondamentale :

Toute paire de transactions qui s'exécute en concurrence est susceptible de rentrer en conflit.



Méthodes 2 : Techniques « optimistes »:
Hypothèse fondamentale : Laisse les transactions s'exécuter en concurrence

• Vérifie la présence de conflits
– uniquement quand la phase de validation atteinte
– Les transactions en conflits sont alors abandonnées puis redémarrées selon certaines hypothèses.

Vérifier apparition de conflit avant commit (méthode de certification)
- Certification « en arrière »
- Certification « en avant »



• Certification quot;en arrièrequot;.
– Par rapport aux transactions validées.
– Objets lus par Tc en phase de validation sont examinés.
• Si l'un d'eux est écrit par une transaction
qui a exécuté sa validation après le début de l'exécution de Tc,
• Alors la transaction Tc est abandonnée,
(car elle pourrait ne pas avoir pris connaissance de la nouvelle valeur de l'objet)

Certification quot;en avantquot;.
•
– Par rapport aux transactions actives.
– Objets écrits Tc sont comparés à tous les objets lus par toute transaction active.
• S'il y a des objets communs entre Tc et ces transactions,
• Alors une erreur de sérialisation est détectée.

• Possibilité d'abandonner soit
la transaction Tc,
les transactions avec lesquelles elle est en conflit


4. Protocoles d’ordonnancement & contôle de
concurence

Techniques optimistes : > OCC-BC - Optimistic Concurrency Control - Broadcast Commit
Minimiser les pertes de ressources en redémarrant les transactions le plus tôt possible.
•

Certification en avant + priorités des transactions.
•
– La transaction qui effectue une validation avertisse de sa validation toutes les transactions qui sont en conflit avec elle.
chances de se terminer avant leurs échéances en les redémarrant immédiatement.

• Tc en phase de validation.
– Si, avant sa validation,
cette transaction entre en conflit avec d'autres transactions T1, T2,..., Tn :
•

(+) Tc se met en attente et garde donc les ressources qu'elle avait acquise.
Améliore les performances du système, pas à redemander ces ressources.


concurence

• Exemple T1 et T2 sont en conflit : T2 lit une donnée x, après que T1 l'ait mise à jour.
– OCC :
T2 doit être redémarrée dès qu'elle rentre dans sa phase de certification
•
(car elle est en conflit sur la donnée x avec une transaction qui a déjà effectué sa validation).
Pr [T2 s'exécute avant sa deadline après son redémarrage] ⇓ ⇓.


concurence

• Exemple T1 et T2 sont en conflit : T2 lit une donnée x, après que T1 l'ait mise à jour.
– OCC-BC:
– on évite d'attendre jusqu'à la certification de T2 pour la redémarrer.
– Conséquence à la notification de toutes les transactions en conflit avec T1 lors de sa validation.
– T2 est redémarrée immédiatement après la validation de T1.


concurence

Techniques optimistes : > Wait(50)
• Evite les inconvénients de OCC-BC = quot;stratégie de compromisquot;.
• Un mécanisme de quot;contrôle de l'attentequot; (nouveau) + attente par priorité

Tc = T courante
Ti = T actives en conflit avec la transaction courante.

X = représente le pourcentage de résolution de conflits
(avec les transactions actives)
que la transaction courante doit attendre avec son
commit.


concurence

Techniques optimistes : > CCA - Cost Conscious Approach
• Basé sur
– Earliest Deadline First-High Priority (EDF-HP)
priorité plus grande à la transaction dont l'échéance est imminente.
•
– Earliest Deadline First-Conditional Restat (EDF-CR)
ajoute une estimation du temps d'exécution des transactions.
•
permet à des transactions non-prioritaires de se terminer,
à condition qu'elles n'obligent pas les autres transactions en conflit ayant une échéance à plus haute priorité à rater leurs deadlines.

Basée sur une approche dynamique.
• Pré-analyse des transactions (similaire à l'algorithme A* en IA – arbre décision) pour connaître
– la structure des transactions
– les données potentiellement accédées (en fonction des chemins d'exécution).

• Prend donc en compte des
– Aspects statiques : échéances,. . .
– Aspects dynamiques (temps effectif d'exécution, coût des redémarrages,. . .)

Possible de réduire la zone de conflits.


concurence

Techniques optimistes : > CCA - Cost Conscious Approach
• Exemple : A et B concurrentes.

Certains cas d'exécution n'entraînent pas de conflits.
∃ conflit sur les données X,Y et Z
Mais les feuilles Ae et Af ne posent plus de conflits.

(+)Aspect dynamique : Déterminer progressivement si des conflits sont susceptibles
de survenir en cours d'exécution et donc de diminuer les blocages.
(-) Coût de la préAnalyse…


concurence

Techniques pessimistes (Blocantes) :
• Rappel : Utilisent la notion de verrou pour empêcher l'accès incompatible aux données par les T

• Algo en 2 étapes :
– Acquisition des verrous et exécution des actions de T
– Libération des objets verrouillés.

Si Td demande un verrou sur un objet détenu par Ta & mode conflictuel
Alors, Td est bloquée jusqu'à la libération du verrou sur l'objet par Ta.

• 2 Familles d’algo.
– Abandon par priorité
– Héritage de priorité.


concurence

Techniques pessimistes (Blocantes) : > Abandon par priorité

• Idée : abandonner T (de plus basse priorité) quand le phénomène d'inversion de priorité survient.
– Inversion de priorité : si T doit attendre qu’une transaction de plus faible priorité T’ libère une
ressource dont T a besoin.

• (+) Transaction haute priorité ne soit pas retardée par basses priorités.
– Garantir pour transactions urgentes

• (-) Transactions de basse priorité pourraient toujours rater…
– Perte de travail & dégradation des performances du système.


concurence

Techniques pessimistes (Blocantes) : > Héritage de priorité

• Idée : assigner une nouvelle priorité à toute transaction accédant à un objet partagé,
– Permet de s'exécuter à un niveau de priorité plus élevé que celui des transactions qu'elle bloque.

Si « inversion de priorité survient »
Alors, la transaction de plus faible priorité voit sa priorité augmentée
et ramenée au niveau de celle de la transaction demandeuse du verrou,
– jusqu'à ce qu'elle se termine et libère le verrou.

• (+) T qui possèdent des verrous
– se termineront plus tôt
– réduire ainsi les temps d'attente des transactions de haute priorité.

• (-)
– Temps de blocage des transactions de haute priorité reste imprévisible,
– Blocages en chaîne : T de haute priorité se bloque plusieurs fois en attente des T de plus basses priorités,
– T de faible priorité de concurrencer les T à haute priorité pcq elles ont hérité…



Techniques pestimistes (Blocantes) : > Héritage de priorité
Tech. Protocole Avantage Inconvénient
O OCC-BC T en phase de validation est Abort très nombreux, Lock sur ressources liées à
privilégiée et garde les ressources la transaction en attente, risque de conflits, baisse
acquises des performances du système

O Wait-50 Ressources bloquées moins Cfr OCC-BC mais de façon plus modérée
longtemps que pour OCC-BC.
Nombre d'abort réduit

O CCA Nombre d'abort réduit, tient compte Ne tient pas compte du coût de la pré-analyse des
du coût des abort et intègre les transactions (construction d'arbres de décision)
contraintes à échéances non-strictes

P Abandon de priorité Les transactions à plus haute priorité Certaines transactions abandonnées au profit de
terminent plus facilement à temps, transactions qui ne terminent pas à Temps…perte
nombre d'abort réduit de temps pour le système

P Héritage de priorité Adapté au temps réel stricte non Durée de blocage imprévisible, blocages en
chaîne
critique


5. Propriétés ACID en TR
concurence

SGBD traditionnel :

• Atomicité : principe du quot;tout ou rienquot;, (toutes les actions de la transaction sont exécutées, soit aucune ne
l'est.
• Cohérence : BD cohérente avant & transaction BD cohérente après.
• Isolation : les modifications effectuées par une T visibles et exploitables par les autres T seulement après
sa phase de validation (Commit).
• Durabilité : la propriété de durabilité indique qu'une fois la transaction validée (Commit), modifications
permanentes


5. Propriétés ACID en TR (1/2)
concurence

SGBD TR :
• Atomicité partielle:
– on accepte qu’une partie de la transaction ne soit pas exécutée
– préférable d'obtenir un résultat imprécis dans les temps qu'un résultat complet en retard.
– Intéressant d’avoir une pré-analyse pour trouver sous ensemble d’actions:
• qui doivent impérativement respecter leur échéance,
• que l'on peut abandonner si elles ratent leurs échéances
• dont l'exécution peut se poursuivre même si la transaction globale a raté son échéance.
• Cohérence partielle:
– certaines méthodes autorisent un certain niveau d'erreur sur les données.

• Isolation partielle :
– heuristiques relaxent la propriété d'Isolation en autorisant les T à manipuler des données non-encore validées.

• Durabilité partielle :
– durée de validité très courtes stockage en mémoire principale
Peu de garantie en cas de crash du SGBD
•


6. Conclusion (2/2)
concurence

• Conclusion:
– Mise en évidence de la problématique relative aux applications temps réel
– Garanties non suffisantes dans SGBD classiques SGBD temporel

– Similitudes SGBD traditionnels & SGBD TR : problèmes de concurrences de transactions.
Définit : transactions TR, données TR.
•
Enoncé quelques algorithmes de gestion de la concurrence.
•

– Autres problèmes restent ouverts et méritent d'être étudiés :
Le stockage des données temps réel : mémoire principale ou mémoire secondaire,...
•
Les protocoles de contrôle de concurrence à plus faible coût,
•
La gestion des buffer et l'ordonnancement des opérations d'entrées/sortie,
•
…
•


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