Realisierung verteilter Anwendungen: Teil 7 zBeim vorigen Mal: yMultitier-Architekturen: Enterprise Java Beans zInhalt heute: yFortsetzung der Einführung.

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1 Realisierung verteilter Anwendungen: Teil 7 zBeim vorigen Mal: yMultitier-Architekturen: Enterprise Java Beans zInhalt heute: yFortsetzung der Einführung zu Multitier- Architekturen xTransaktionen zLernziele: yGrundverständnis für die EJB-Architektur, insbesondere Transaktionen Ralf Möller, FH-Wedel

2 Nebenläufigkeit und Transaktionen Der erste Teil dieser Vorlesung (13 Präsentationen) baut auf der Vorlesung "P3" von Bernd Neumann an der Universität Hamburg auf. Für eine Vertiefung des Themas Transaktionen und Sperren (Locks) siehe Kapitel 12 aus:

3 Beispiel Kontoführung Prozeß 1: Umbuchung eines Betrages von Konto A nach Konto B Prozeß 2: Zinsgutschrift für Konto A Umbuchung read (A, a1) a1 := a1 - 300 write (A, a1) read (B, b1) b1 := b1 + 300 write (B, b1) Zinsgutschrift read (A, a2) a2 := a2 * 1.03 write (A, a2) Möglicher verzahnter Ablauf: Umbuchung Zinsgutschrift read (A, a1) a1 := a1 - 300 read (A, a2) a2 := a2 * 1.03 write (A, a2) write (A, a1) read (B, b1) b1 := b1 + 300 write (B, b1) Wo ist die Zinsgutschrift geblieben??

4 Beispiel Besucherzählung Drehkreuz1: loop { read (Counter, c1) if (c1 ≥ MaxN) lock if (c1 < MaxN) open if enter incr(c1) if leave decr(c1) write (Counter, c1) } Drehkreuz2: loop { read (Counter, c2) if (c2 ≥ MaxN) lock if (c2 < MaxN) open if enter incr(c2) if leave decr(c2) write (Counter, c2) } Verzahnte Ausführung der zwei Prozesse Drehkreuz1 und Drehkreuz2 mit Zugriff auf gemeinsamen Counter kann inkorrekte Besucherzahl ergeben! =>Überfüllung, Panik, Katastrophen durch Studium der Nebenläufigkeit vermeiden

5 Mehrbenutzersynchronisation Die nebenläufige Ausführung mehrerer Prozesse auf einem Rechner kann grundsätzlich zu einer besseren Ausnutzung des Prozessors führen, weil Wartezeiten eines Prozesses (z.B. auf ein I/O-Gerät) durch Aktivitäten eines anderen Prozesses ausgefüllt werden können. Zeit unverzahnte Ausführung verzahnte Ausführung Prozesse synchronisieren = partielle zeitliche Ordnung herstellen

6 Mehrbenutzerbetrieb von Datenbanksystemen Um Probleme durch unerwünschte Verzahnung nebenläufiger Zugriffe (s. Beispiel Kontoführung) zu vermeiden, werden atomare Aktionen zu größeren Einheiten geklammert: Transaktionen. Eine Transaktion ist eine Folge von Aktionen (Anweisungen), die ununterbrechbar ausgeführt werden soll. Da Fehler während einer Transaktion auftreten können, muß eine Transaktionsverwaltung dafür sorgen, daß unvollständige Transaktionen ggf. zurückgenommen werden können. Befehle für Transaktionsverwaltung: begin of transaction (BOT)Beginn der Anweisungsfolge einer Transaktion commitEinleitung des Endes einer Transaktion, Änderungen der Datenbasis werden festgeschrieben abortAbbruch der Transaktion, Datenbasis wird in den Zustand vor der Transaktion zurückversetzt

7 Eigenschaften von Transaktionen ACID-Paradigma steht für 4 Eigenschaften: A tomicity (Atomarität) Eine Transaktion wird als unteilbare Einheit behandelt ("alles-oder-nichts"). C onsistency (Konsistenz) Eine Transaktion hinterläßt nach (erfolgreicher oder erfolgloser) Beendigung eine konsistente Datenbasis. I solation Nebenläufig ausgeführte Transaktionen beeinflussen sich nicht gegenseitig. D urability (Dauerhaftigkeit) Eine erfolgreich abgeschlossene Transaktion hat dauerhafte Wirkung auf die Datenbank, auch bei Hardware- und Software-Fehlern.

8 Mehrbenutzerbetrieb in DBsystemen Synchronisation mehrerer nebenläufiger Transaktionen: Bewahrung der indendierten Semantik einzelner Transaktionen Protokolle zur Sicherung der Serialisierbarkeit Sicherung von Rücksetzmöglichkeiten im Falle von Abbrüchen Vermeidung von Schneeballeffekten beim Rücksetzen Behandlung von Verklemmungen

9 Synchronisation bei Mehrbenutzerbetrieb Synchronisationsproblem = verzahnte sequentielle Ausführung nebenläufiger Transaktionen, so daß deren Wirkung der intendierten unverzahnten ("seriellen") Hintereinanderausführung der Transaktionen entspricht. Konfliktursache im DB-Kontext ist read und write von zwei Prozessen i und k auf dasselbe Datum A: read i (A)read k (A)Reihenfolge irrelevant, kein Konflikt read i (A)write k (A)Reihenfolge muß spezifiziert werden, Konflikt write i (A)read k (A)analog write i (A) write k (A)Reihenfolge muß spezifiziert werden, Konflikt Serialisierbarkeitsgraph: Knoten = atomare Operationen (read, write) Kanten = Ordnungsbeziehung (Operation i vor Operation k) Serialisierbarkeitstheorem: Eine partiell geordnete Menge nebenläufiger Operationen ist genau dann serialisierbar, wenn der Serialisierungsgraph zyklenfrei ist.

10 Beispiel für nicht serialisierbare Historie T1T2 BOT read(A) write(A) BOT read(A) write(A) read(B) write(B) commit read(B) write(B) commit Der Effekt dieser Verzahnung entspricht keiner der 2 möglichen Serialisierungen T1 vor T2 oder T2 vor T1: Die Historie ist nicht serialisierbar T1T2 BOT read(A) write(A) read(B) write(B) commit BOT read(A) write(A) read(B) write(B) commit T1T2 BOT read(A) write(A) read(B) write(B) commit BOT read(A) write(A) read(B) write(B) commit verzahnte HistorieSerialisierung 1Serialisierung 2

11 Sperrsynchronisation Viele Datenbank-Scheduler verwenden Sperranweisungen zur Erzeugung konfliktfreier Abläufe: Sperrmodus S (shared, read lock, Lesesperre) Wenn Transaktion T i eine S-Sperre für ein Datum A besitzt, kann T i read(A) ausführen. Mehrere Transaktionen können gleichzeitig eine S-Sperre für dasselbe Objekt A besitzen. Sperrmodus X (exclusive, write lock, Schreibsperre) Nur eine einzige Transaktion, die eine X-Sperre für A besitzt, darf write(A) ausführen. Verträglichkeit der Sperren untereinander: (NL = no lock, keine Sperrung) NLSX Sokok- Xok--

12 Zwei-Phasen-Sperrprotokoll (Englisch: two-phase locking, 2PL) Protokoll gewährleistet die Serialisierbarkeit von Transaktionen. Für jede individuelle Transaktion muß gelten: Verschärfung zum "Strengen 2PL-Protokoll" zur Vermeidung nicht- rücksetzbarer Abläufe: Keine Schrumpfungsphase, alle Sperren werden bei EOT freigegeben. 1. Jedes von einer Transaktion betroffene Objekt muß vorher entsprechend gesperrt werden. 2. Eine Transaktion fordert eine Sperre, die sie besitzt, nicht erneut an. 3. Eine Transaktion muß solange warten, bis es eine erforderliche Sperre entsprechend der Verträglichkeitstabelle erhalten kann. 4. Jede Transaktion durchläuft 2 Phasen: - in Wachstumsphase werden Sperren angefordert, aber nicht freigegeben - in Schrumpfungsphase werden Sperren freigegeben, aber nicht angefordert 5. Bei EOT (Transaktionsende) muß eine Transaktion alle ihre Sperren zurückgeben.

13 Beispiel für 2PL-Verzahnung T1T2 BOT lockX(A) read(A) write(A) BOT lockS(A)T2 muß warten lockX(B) read(B) unlockX(A)T2 wecken read(A) lockS(B)T2 muß warten write(B) unlock(B)T2 wecken read(B) commit unlockS(A) unlockS(B) commit T1: Modifikation von A und B (z.B. Umbuchung) T2:Lesen von A und B (z.B. Addieren der Salden)

14 Verklemmungen (Deadlocks) Sperrbasierte Synchronisationsmethoden können (unvermeidbar) zu Verklemmungen führen: Gegenseitiges Warten auf Freigabe von Sperren T1T2 BOT lockX(A) BOT lockS(B) read(B) read(A) write(A) lockX(B)T1 muß auf T2 warten lockS(A)T2 muß auf T1 warten => Deadlock T1: Modifikation von A und B (z.B. Umbuchung) T2:Lesen von B und A (z.B. Addieren der Salden) Transaktionen leicht modifiziert:

15 Strategien zur Erkennung und Vermeidung von Verklemmungen 1. Wartegraph hat Zyklen T1T1 T2T2 T3T3 w = wartet auf w w w T4T4 w Nach Erkennen eines Zyklus muß Verklemmung durch Zurücksetzen einer geeigneten Transaktion beseitigt werden. 2. Preclaiming - Vorabforderung aller Sperren Beginn einer Transaktion erst, nachdem die für diese Transaktion insgesamt erforderlichen Sperren erfolgt sind. Problem: Vorab die erforderlichen Sperren erkennen 3. Zeitstempel Transaktionen werden durch Zeitstempel priorisiert. Zurücksetzen statt Warten, wenn T 1 Sperre fordert, T 2 aber Sperre erst freigeben muß: Strategie Wound-wait: Abbruch von T 2, falls T 2 jünger als T 1, sonst warten Strategie Wait-die: Abbruch von T 1, wenn T 1 jünger als T 2, sonst warten

16 Transaktionen in der J2EE-Architektur zErleichterung der Anwendungsprogrammierung zAufsetzen einer Transaktion: Was ist zu tun? yDeklaration des Transaktionsanfangs (begin) yAusführung von Ressource-Anfragen und -Updates yDeklaration des Transaktionsendes (commit) zTransaktionen können durch Bean oder durch Container aufgesetzt werden z"Aufsetzen" wird auch Demarkation genannt

17 Wiederholung: Aufruf von Beans

18 Initialisierungsmethode für Servlet public class BonusServlet extends HttpServlet { CalcHome homecalc; public void init(ServletConfig config) throws ServletException{ //Look up home interface try{ InitialContext ctx = new InitialContext(); Object objref = ctx.lookup("calcs"); homecalc = (CalcHome)PortableRemoteObject.narrow (objref, CalcHome.class);... }}

19 doGet Methode  Eingabe: request und response Objekt zRequests repräsentieren die Eingabe vom Browser zResponses repräsentieren einen Ausgabekanal zum Browser zAufgaben: yFinden des Home-Interfaces des Anwendungsobjekts  Aufruf der Methode calcBonus yGenerieren des Antwort-HTML-Seite

20 doGet Methode (Ausschnitt) public void doGet (HttpServletRequest request, HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException { String socsec = null; int multiplier = 0; double calc = 0.0; PrintWriter out; response.setContentType("text/html"); String title = "EJB Example"; out = response.getWriter(); out.println(" ) out.println(title); out.println(" ");

21 doGet Methode (Ausschnitt) try{ Calc theCalculation; //Retrieve Bonus and Social Security Information String strMult = request.getParameter("MULTIPLIER"); Integer integerMult = new Integer(strMult); multiplier = integerMult.intValue(); socsec = request.getParameter("SOCSEC"); //Calculate bonus double bonus = 100.00; theCalculation = homecalc.create(); calc = theCalculation.calcBonus(multiplier, bonus); } catch(Exception CreateException){ CreateException.printStackTrace(); }

22 doGet Methode (Ausschnitt) //Display Data out.println(" Bonus Calculation "); out.println(" Soc Sec: " + socsec); out.println(" Multiplier: " + multiplier); out.println(" Bonus Amount: " + calc); out.println(" "); out.close(); }

23 CalcHome package Beans; import java.rmi.RemoteException; import javax.ejb.CreateException; import javax.ejb.EJBHome; public interface CalcHome extends EJBHome { Calc create() throws CreateException, RemoteException; }

24 Calc Remote Interface package Beans; import javax.ejb.EJBObject; import java.rmi.RemoteException; public interface Calc extends EJBObject { public double calcBonus(int multiplier, double bonus) throws RemoteException; }

25 CalcBean (Ausschnitt) public class CalcBean implements SessionBean { public double calcBonus(int multiplier, double bonus) { double calc = (multiplier*bonus); return calc; }... }

26 Aufsetzen einer Transaktion durch Bean (1) import javax.sql.*; import java.sql.*; public class MySessionEJB implements SessionBean { EJBContext ejbContext; public void someMethod (...) { javax.transaction.UserTransaction ut; DataSource ds1, ds2; Connection con1, con2; Statement stmt1, stmt2; InitialContext initCtx = new InitialContext();

27 Aufsetzen einer Transaktion durch Bean (2) ds1 = (DataSource)initCtx.lookup(...); con1 = ds1.getConnection(); stmt1 = con1.createStatement();... ut = ejbContext.getUserTransaction(); ut.begin(); stmt1.executeQuery(...);... stmt1.executeUpdate(...);... ut.commit();... }... }

28 Diskussion zTransaktionen im J2EE-Kontext zEs wurde in dieser Vorlesung ein grober Eindruck der Ziele und wesentlichen Ideen vermittelt

29 Beim nächsten Mal zFortsetzung der Behandlung von Transaktionen z... wiederum am praktischen Beispiel von J2EE