並行性制御

コンピュータシステムにおける並行性制御

現代のコンピュータシステムは、ソフトウェアとハードウェアのモジュールやコンポーネントから構成され、それらは相互に作用しながら動作します。個々のコンポーネントはそれぞれ整合性規則に従って正しく機能するように設計されていますが、複数のコンポーネントが同時にデータを共有したり、メッセージをやり取りする際には、それらの整合性が損なわれる可能性があります。

並行性制御（Concurrency Control）とは、このような並行処理において、システム全体の整合性と正確性を維持するための仕組みです。複数のコンポーネントが同時実行される状況下でも、可能な限り迅速かつ正確に処理結果を得られるよう保証する技術であり、オペレーティングシステム、データベースシステム、マルチプロセッシング環境などで重要な役割を果たします。

並行性制御を実装するには、一般的に何らかの性能低下を伴う操作上の制約を課す必要があります。したがって、整合性と正確性を維持しつつ、性能低下を最小限に抑えることが、並行性制御における重要な課題となります。

データベースにおける並行性制御

並行性制御は、データベースシステムにおいて特に重要な意味を持ちます。データベースとは、トランザクションを実行するあらゆるシステムを指し、汎用データベース管理システム（DBMS）だけでなく、様々なシステムを含みます。DBMSは、データベース自身の並行性制御だけでなく、OSレベルの並行性制御問題とも密接に関わっています。

データベースにおける並行性制御の目的は、複数のトランザクションが同時に同じデータにアクセスする際、データの完全性を維持することです。これは、トランザクションがACID原則（原子性、一貫性、独立性、永続性）に従って実行されることを保証することで達成されます。

原子性 (Atomicity): トランザクションは、全体として成功するか、全く実行されないかのいずれかです。途中で中断された場合、データベースの状態は変更されません。
一貫性 (Consistency): 各トランザクションは、データベースを整合性のある状態から別の整合性のある状態へと遷移させます。データベースの制約条件が常に満たされるようにします。
独立性 (Isolation): 複数のトランザクションが並行して実行されていても、互いに影響を受けません。トランザクションは、他のトランザクションの存在を意識することなく実行できます。
永続性 (Durability): 一旦トランザクションが完了すれば、その結果はシステム障害が発生しても永続的に保持されます。

DBMSは、これらの原則を満たすスケジュール（トランザクションの実行順序）のみを許可するように設計されています。直列化可能性理論は、並行性制御の技法と機構の設計と分析を効率的に行うための基盤となります。

正確性を確保するために、DBMSは通常「直列化可能」なスケジュールのみを保証します。ただし、アプリケーションが正確性をそれほど必要としない場合は、性能向上のため直列化可能性を意図的に緩和することもあります。トランザクションの失敗に備えて、スケジュールは回復可能性という属性も必要です。

特に、データベースが分散環境にある場合（クラウドコンピューティングなど）、並行性制御機構の効果的な分散化が重要な課題となります。

並行性制御機構

並行性制御を実現するための機構は、大きく分けて楽観的、悲観的、準楽観的な方法があります。

楽観的: トランザクションがコミットされるまで同期を遅延させ、衝突を検出した場合にトランザクションを中断・再試行します。衝突が少ない場合に有効です。
悲観的: トランザクションが最初から並行実行されることを想定し、ロックなどの同期機構を用いて衝突を予防します。衝突の可能性が高い場合に有効ですが、性能低下が懸念されます。
準楽観的: 楽観的と悲観的の中間的なアプローチです。状況に応じて同期方法を切り替えます。

これらの機構は、それぞれトレードオフ関係にあります。性能は、トランザクションの種類、並列性レベルなどに影響されます。

また、複数のトランザクションが互いに待ち合うデッドロックが発生する可能性もあります。この場合、トランザクションを中断して再試行する必要があります。

並行性制御技法

並行性制御を実現する具体的な技法として、以下のようなものがあります。

ロック: データへのアクセスを制御するためにロックを使用します。ツーフェーズロック(2PL)はよく知られた技法です。
相反グラフ検査: スケジュールの有向グラフに閉路がないか検査し、閉路があればトランザクションを中断します。
時刻印順序付け (Timestamp Ordering): トランザクションに時刻印を割り当て、その順序でデータへのアクセスを制御します。
コミットメント順序付け (Commit Ordering): トランザクションのコミット順序で制御します。
多版型並行性制御 (MVCC): データのバージョン管理により、並行性を向上させます。
索引並行性制御: 索引へのアクセスを同期させ、性能を向上させます。
個別作業空間モデル: 各トランザクションが独立した作業空間を持ち、コミット時に変更を反映します。

1970年代以降、厳格なツーフェーズロック(SS2PL)が広く使われています。これは、トランザクション終了時に全てのロックを解放するシンプルな機構です。

分散システムにおける並行性制御

近年、分散システムにおける並行性制御の重要性が増しています。分散トランザクションは、複数のプロセスやコンピュータにまたがるため、効率的な分散並行性制御機構が必要です。

コミットメント順序付け(CO)は、分散環境における並行性制御技法として知られています。COは、トランザクションのコミット順序を決定するだけで、具体的な機構には依存しません。分散デッドロックを自動的に解消できるという利点があります。

SS2PLはCOの特殊ケースと見なすことができ、分散環境でも効率的に直列化可能性を達成できます。

その他の考慮事項

並行性制御は、データ復旧、レプリケーション、OSにおけるタスク管理など、様々な側面に影響を与えます。これらの要素を考慮した設計が重要です。

まとめ

並行性制御は、コンピュータシステムの正確性と効率性を維持するために不可欠な仕組みです。様々な技法と機構が存在し、システムの特性や要件に応じて適切な方法を選択する必要があります。特に分散システムにおいては、効率的でスケーラブルな並行性制御機構の開発が継続的に求められています。

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