التحكم في التزامن

في مجال تكنولوجيا المعلومات وعلوم الحاسوب ، وخاصة في مجالات برمجة الحاسوب وأنظمة التشغيل والمعالجات المتعددة وقواعد البيانات ، يضمن التحكم في التزامن توليد نتائج صحيحة للعمليات المتزامنة ، مع الحصول على تلك النتائج بأسرع وقت ممكن.

تتكون أنظمة الحاسوب، برمجياتها ومكوناتها المادية ، من وحدات أو مكونات. صُمم كل مكون ليعمل بشكل صحيح، أي ليلتزم بقواعد اتساق معينة. عندما تتفاعل المكونات العاملة بالتزامن عبر الرسائل أو مشاركة البيانات المُستخدَمة (في الذاكرة أو التخزين )، قد ينتهك مكون آخر اتساق أحد المكونات. يوفر مجال التحكم بالتزامن قواعد وأساليب ومنهجيات تصميم ونظريات للحفاظ على اتساق المكونات العاملة بالتزامن أثناء تفاعلها، وبالتالي اتساق النظام ككل وصحته. إدخال التحكم بالتزامن في النظام يعني تطبيق قيود تشغيلية، مما يؤدي عادةً إلى انخفاض في الأداء. يجب تحقيق اتساق العمليات وصحتها بأعلى كفاءة ممكنة، دون خفض الأداء إلى ما دون المستويات المقبولة. قد يتطلب التحكم بالتزامن تعقيدًا إضافيًا كبيرًا وتكاليف إضافية في الخوارزمية المتزامنة مقارنةً بالخوارزمية التسلسلية الأبسط .

على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الفشل في التحكم في التزامن إلى تلف البيانات نتيجة لعمليات القراءة أو الكتابة الممزقة .

تعليقات:

1. ينطبق هذا القسم على جميع الأنظمة المعاملاتية، أي على جميع الأنظمة التي تستخدم معاملات قواعد البيانات ( المعاملات الذرية ؛ على سبيل المثال، الكائنات المعاملاتية في إدارة الأنظمة وفي شبكات الهواتف الذكية التي تنفذ عادةً أنظمة قواعد بيانات خاصة ومخصصة)، وليس فقط أنظمة إدارة قواعد البيانات للأغراض العامة (DBMS).
2. تحتاج أنظمة إدارة قواعد البيانات أيضًا إلى التعامل مع مشكلات التحكم في التزامن، والتي لا تقتصر على معاملات قواعد البيانات فحسب، بل تشمل أنظمة التشغيل بشكل عام. هذه المشكلات (انظر على سبيل المثال: التحكم في التزامن في أنظمة التشغيل أدناه) خارجة عن نطاق هذا القسم.

يضمن التحكم بالتزامن في أنظمة إدارة قواعد البيانات (DBMS؛ على سبيل المثال، Bernstein et al. 1987 ، وWeikum and Vossen 2001 )، والكائنات المعاملاتية الأخرى ، والتطبيقات الموزعة ذات الصلة (مثل الحوسبة الشبكية والحوسبة السحابية ) تنفيذ معاملات قواعد البيانات بشكل متزامن دون الإخلال بسلامة بيانات قواعد البيانات المعنية . وبالتالي، يُعد التحكم بالتزامن عنصرًا أساسيًا لصحة أي نظام حيث يمكن لمعاملتين أو أكثر من معاملات قواعد البيانات، المنفذة بتداخل زمني، الوصول إلى نفس البيانات، كما هو الحال عمليًا في أي نظام قاعدة بيانات للأغراض العامة. ونتيجة لذلك، تراكمت كمية هائلة من الأبحاث ذات الصلة منذ ظهور أنظمة قواعد البيانات في أوائل سبعينيات القرن الماضي. وقد تم توضيح نظرية راسخة للتحكم بالتزامن في أنظمة قواعد البيانات في المراجع المذكورة أعلاه: نظرية التسلسلية ، والتي تسمح بتصميم وتحليل أساليب وآليات التحكم بالتزامن بفعالية. كما تم تقديم نظرية بديلة للتحكم بالتزامن في المعاملات الذرية على أنواع البيانات المجردة في ( Lynch et al. 1993 )، ولن يتم استخدامها فيما يلي. هذه النظرية أكثر دقةً وتعقيدًا وأوسع نطاقًا، وقد استُخدمت بشكل أقل في أدبيات قواعد البيانات مقارنةً بالنظرية الكلاسيكية المذكورة أعلاه. لكل نظرية مزاياها وعيوبها، ونقاط تركيزها ورؤيتها . وإلى حد ما، تُكمّل كلٌّ منهما الأخرى، وقد يكون دمجهما مفيدًا.

لضمان صحة البيانات، يضمن نظام إدارة قواعد البيانات عادةً إنشاء جداول معاملات قابلة للتسلسل فقط، إلا إذا تم تخفيف قابلية التسلسل عمدًا لزيادة الأداء، ولكن فقط في الحالات التي لا تتأثر فيها صحة التطبيق. وللحفاظ على صحة البيانات في حالات فشل المعاملات (إلغائها) (وهو أمر وارد الحدوث لأسباب عديدة)، يجب أن تتمتع الجداول أيضًا بخاصية الاسترداد (من الإلغاء). كما يضمن نظام إدارة قواعد البيانات عدم فقدان أي أثر للمعاملات الملتزمة ، وعدم بقاء أي أثر للمعاملات الملغاة ( المتراجعة ) في قاعدة البيانات ذات الصلة. وعادةً ما يتم تلخيص خصائص المعاملات العامة بقواعد ACID الموضحة أدناه. ومع تحول قواعد البيانات إلى قواعد موزعة ، أو الحاجة إلى التعاون في بيئات موزعة (مثل قواعد البيانات الموحدة في أوائل التسعينيات، والحوسبة السحابية حاليًا)، حظي التوزيع الفعال لآليات التحكم في التزامن باهتمام خاص.

تحتاج أنظمة التشغيل متعددة المهام ، وخاصةً أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي ، إلى الحفاظ على وهم أن جميع المهام التي تعمل عليها تُنفَّذ في الوقت نفسه، حتى وإن كانت مهمة واحدة أو بضع مهام فقط هي التي تُنفَّذ فعليًا في أي لحظة معينة، وذلك بسبب قيود الأجهزة التي يعمل عليها نظام التشغيل. تكون هذه المهام المتعددة بسيطة نسبيًا عندما تكون جميع المهام مستقلة عن بعضها البعض. مع ذلك، عندما تحاول عدة مهام استخدام المورد نفسه، أو عندما تحاول المهام تبادل المعلومات، قد يؤدي ذلك إلى الارتباك وعدم الاتساق. تتمثل مهمة الحوسبة المتزامنة في حل هذه المشكلة. تتضمن بعض الحلول استخدام "أقفال" مشابهة للأقفال المستخدمة في قواعد البيانات، لكنها قد تُسبب مشاكل أخرى مثل حالة الجمود . وتشمل الحلول الأخرى خوارزميات عدم الحظر وتقنية القراءة والنسخ والتحديث .

• قابلية التخطيط الخطي - خاصية لبعض العمليات في البرمجة المتزامنة 
• القفل (علوم الحاسوب) - آلية مزامنة لفرض قيود على الوصول إلى مورد ما 
• الاستبعاد المتبادل – في مجال الحوسبة، تقييد الوصول إلى البيانات بحيث لا يمكن الوصول إليها إلا بواسطة خيط واحد في كل مرة 
• فهرسة محركات البحث – طريقة لإدارة البيانات 
• الإشارة (برمجة) - متغير يُستخدم في نظام متزامن 
• ذاكرة المعاملات البرمجية – آلية التحكم في التزامن في البرمجيات 
• ملحقات التزامن للمعاملات – ملحق بنية مجموعة التعليمات 
• جدول معاملات قاعدة البيانات
• العزلة (علوم الحاسوب)
• التحكم المتزامن الموزع

• أندرو س. تانينباوم، ألبرت س. وودهول (2006): تصميم أنظمة التشغيل وتنفيذها، الطبعة الثالثة ، برنتيس هول ، رقم ISBN 0-13-142938-8
• سيلبرشاتز، آفي؛ جالفين، بيتر؛ غاني، جريج (2008). مفاهيم أنظمة التشغيل، الطبعة الثامنة . جون وايلي وأولاده . ISBN 978-0-470-12872-5.
• فيليب أ. بيرنشتاين ، فاسوس هادزيلاكوس، ناثان غودمان (1987): التحكم في التزامن والاستعادة في أنظمة قواعد البيانات (تنزيل مجاني بصيغة PDF)، شركة أديسون ويسلي للنشر، 1987، رقم ISBN 0-201-10715-5
• جيرهارد ويكوم ، جوتفريد فوسن (2001): نظم معلومات المعاملات ، إلسفير، ISBN 1-55860-508-8
• نانسي لينش ، مايكل ميريت، ويليام ويل، آلان فيكيت (1993): المعاملات الذرية في الأنظمة المتزامنة والموزعة ، مورغان كوفمان (إلسيفير)، أغسطس 1993، رقم ISBN 978-1-55860-104-8، ISBN 1-55860-104-X
• يواف راز (1992): "مبدأ ترتيب الالتزام، أو ضمان قابلية التسلسل في بيئة غير متجانسة لمديري موارد مستقلين متعددين باستخدام الالتزام الذري." ( ملف PDF )، وقائع المؤتمر الدولي الثامن عشر لقواعد البيانات الضخمة جدًا (VLDB)، الصفحات 292-312، فانكوفر، كندا، أغسطس 1992. (أيضًا DEC-TR 841، شركة المعدات الرقمية ، نوفمبر 1990)