2024年4月18日发(作者：)

２０１１年第２Ｏ卷第ｌ２期　ｈｔｔｐ：Ｈｗｗｗ．ｃ－Ｓ－ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　计算机系统应用　

一

种基于约束的事务工作流并发控制方　

刘慧　，王宁　，刘元元　，韩晓琼３　

（中国科学院沈阳计算技术研究所，沈阳１　１０１６８）　

（中国科学院研究生院，北京１０００４９）　

（北京大学信息科学技术学院，北京１００８７１）　

摘要：在辽河流域水环境管理中，许多业务流程操作都满足事务的特性。传统工作流系统中并发控制的实现　

主要是依据对共享数据项的存取控制，当用来处理事务工作流时会影响系统的效率，因为有的业务流程可能持　

续的时间比较长，这样它对共享数据项的占有时间就会很长而导致其他流程不能继续流转。为解决这一问题，　

借助类似于处理器中指令流水的思想研究了一种事务工作流的并发控制方法，并在此基础上建立了总体设计模　

型，借助并发控制器和任务管理器来高效调度工作流。在保证工作流执行正确的前提下，引入约束的概念来实　

现事务工作流的并发控制，从而提高系统的性能和效率。　

关键词：事务；事务工作流；并发控制；约束　

Ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｉｎ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ＷｏｒｋｆｌＯＷ　

ＬＩＵ　Ｈｕｉ　’　，ＷＡＮＧ　Ｎｉｎｇ‘，ＬＩＵ　Ｙｕａｎ－Ｙｕａｎ　

，

ＨＡＮ　Ｘｉａｏ－Ｑｉｏｎｇ　

（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０１６８，Ｃｈｉｎａ）　

：（Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃｄａｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｎｉｇ　１０００４９，Ｃｈｉｎａ）　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｎｉｇ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｐｅｋｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８７１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｙ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ　ｉｎ　ＬｉａｏＨｅ　Ｒｉｖｅｒ　ｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　

ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ　ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｉｎｌｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　

ａｃｃｅｓｓｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｈａｒｅｄ　ｄａｔａ，ｕｓｉｎｇ　ｉｔ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ　ｗｏｕｌｄ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　

ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｅｎ　ｓｏｍｅ　ｂｕｓｉｎｅｓｓ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ　ｓｕｓｔａｉｎｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｃａｓｅ，ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｈｏｌｄ　ｔｈｅ　ｓｈａｒｅｄ　

ｄａｔａ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ，ＳＯ　ｏｔｈｅｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｍｕｓｔ　ｗａｉｔ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｓ　ａ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ　

ｐｉｐｅｌｉｎｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ，ａｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｔ　ｔｈｅ　

ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｆｌｏｗｓ　ａｒｅ　ｈｉｇｈｌｙ　ｓｃｈｅｄｕｌｅｄ　ｗｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔａｓｋ　

ｍａｎａｇｅｒ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ，ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆ　

ｔｈｅ　ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎａｌ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ；ｃｏｎｃｕｒｒｅｎｃｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　

事务是起源于数据库系统的一个概念，在数据库　

同时补偿事务也与其他事务一样可能失败【　ｌＪ。为解决　

系统中事务的并发控制技术主要是锁机制和补偿机　

这一问题，Ｇｅｏｒｇｉａ大学的Ａｍｉｔ　Ｓｈｅｔｈ等人提出了事务　

制。工作流是为实现业务过程自动化的一系列活动的　

工作流的概念。目前，适合长事务并发控制方法的研究　

集合，从某种角度看有类似于事务的特性，但事务的　

主要有利它锁（Ａｌｔｒｕｉｓｔｉｃ）协议、基于ＮＴ／ＰＶ模型的　

并发控制技术并不能完全适用于工作流系统，因为并　

方法以及基于语义的处理方法【２１。事务工作流的研究　

不是所有的工作流实例都满足事务的特征：特别是在　致力于保证工作流系统在存在并发访问共享资源且其　

当前松耦合的分布环境下，锁机制几乎不可能实现，　中某些活动需要当做一个整体对待情况下的正确性。　

①基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００９ＺＸ０７５２８．００６－０５）　

收稿时间：２０１１－０４・１８；收到修改稿时间：２０１１－０５－１４　

Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ应用技术１８１　

计算机系统应用　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ－Ｓ－ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　２０１１年第２０卷第１２期　

ｌ相关研究情况　

在工作流系统中怎样控制工作流实例的并发执行　

以避免出现读脏数据、丢失修改、不可重复读等现象是　

人们在并发控制领域内的研究重点。目前已有数十种工　

作流产品，并且每种工作流产品的并发控制机制都有所　

工作流实例都可以直接被调度而不用等待，这就大大　

提高了系统效率。　

２　问题分析　

在一个实际应用环境中，往往会有多个工作流模式　】　

存在，而在某一时刻，这些工作流模式可能会有多个实　

不同，但还没有一种工作流的并发控制技术像传统数据　

库两阶段封锁协议那样成熟：现有的工作流并发控制大　

多是基于对共享数据项的存取控制来实现【３Ｊ。如果在工　

例在运行，它们可能在以不同的速度向前推进同时要以　

排他的方式存取某个不具有并发控制的共享资源（如内　

作流系统中采用传统的数据库并发技术，按照事务的观　

点来调度工作流实例（即严格遵守ＡＣＩＤ），不仅会带　

来工作流运行效率低下，而且由于并不是每个工作流实　

例都具有事务特性，因此可能会出现不适合性：如果适　

当放松ＡＣＩＤ特性，执行的正确性又不能保证。　

文献【４】中，利用的是数据库本身的并发控制能力　

来实现对工作流的并发控制，用存储过程将对工作流　

的并发控制转换为对数据的并发控制来实现。通过设　

定约束和撤销约束来合理调度并发事务，避免并发事　

务之间的相互干扰造成的数据不一致性。但该方法过　

分依赖某种特定数据库管理系统本身的并发控制能　

力，也正因为如此，此方法对于一些不满足事务特性　

的工作流并不适用。　

文献【５】在建模阶段采用业务流程和事务需求分开　

定制的方式，通过设置隔离域的隔离属性来控制各流　

程实例并发活动的执行，提出了采用隔离域的概念来　

实现并发控制；并且针对事务工作流可能长时间执行　

的特点放松了传统的隔离性要求，提出了松弛隔离性　

的概念。但工作流系统在运行过程中对数据的访问是　

多样的，可能对于这些数据的访问控制权限也是不同　

的；另外，访问这些数据的执行者也可能不同，因此　

对应的隔离级别也应该不同。这些都是在流程设计阶　

段应该考虑的问题，也就加大了流程设计的难度。　

文献【６】通过扩展同名共享锁和同名互斥锁的概念　

给出了一种基于锁操作的面向复杂应用的工作流并发　

控制机制，充分考虑了同一工作流模式不同实例间的　

并发和不同工作流模式不同实例间的并发，适合于分　

布式工作流系统；但本质上并发控制仍然是基于对共　

享数据项的操作来实现的。　

本文主要研究事务工作流的并发问题，借助指令　

流水思想通过引入资源约束、数据约束、任务约束的　

概念来实现基于约束的事务工作流的并发控制。可以　

看到，无论各工作流实例之间有怎样的相关（约束），　

１　８２应用技术Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

存、文件等）。一个事务工作流的执行必须将系统从一个　

一

致性状态转换到另一个一致性状态［８１。如何协调这些　

排他执行需求而使每个实例的执行结果不受其他实例的　

影响，也不会因为资源匮乏而无法继续，这就是系统中　

并发控制需要解决的问题。　

２．１事务工作流的相关性引入　

在处理器设计中，为达到指令的多发射与流水性，　

需要借助一些手段来消除指令之间的相关从而达到指　

令并行的目的。事务工作流之间也有类似的相关关系，　

譬如两个流程之间的合作关系等，为达到事物工作流　

并行的目的在这里我们借助类似于指令流水的思想来　

实现事务工作流之间的并发控制。　

２．２约束的引入　

２．２．１资源约束的引入　

两个工作流实例ｗｆｌ与ｗｆ２在执行期间都要对资　

源Ａ进行访问，而资源Ａ又并不具有并发控制的能力，　

此时需要用资源约束的方式来实现工作流之间因为资　

源相关的并发控制。　

２．２．２数据约束的引入　

两个工作流实例ｗｆｌ与ｗｆ２在执行期间，ｗｆ２在　

某一步的操作需要用到ｗｆｌ在它之前或者之后产生的　

某个数据结果，这样就形成了二者之间的数据相关，　

需要通过数据约束的方式来实现它们之间的并发控　

制。　

２－２．３任务约束的引入　

两个工作流实例ｗｆｌ与ｗｆ２，它们之间存在严格　

的先后执行关系，否则将出现错误的结果。例如ｗｆ２　

必须在ｗｆｌ完成之后才能开始执行，这样就形成了工　

作流之间的任务相关，需要通过任务约束的方式来实　

现此时它们之间的并发控制。　

３并发控制的设计　

通过以上相关性的分析，只要两个工作流实例之　

２０１１年第２０卷第ｌ２期　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ－ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　计算机系统应用　

间没有相关，那么它们之间就是可以并发执行的，因　

此并发控制的主要工作就是如何消除这些相关或者如　

何处理相关来达到实现工作流的并发执行的目的。考　

虑到实际的业务系统需求，本文中这种并发控制主要　

通过任务管理器和并发控制器一起完成。　

图１是并发控制部分的结构图，此部分主要包括　

工作流调度队列、任务管理器、并发控制器等主要模　

块：在此忽略了其他一些部分，例如异常处理部分等。　

并发控制器主要包含多个工作流执行保留站，保留站　

用来存储正在执行的工作流实例的相关信息，并负责　

与数据库的交互来控制工作流之间的资源相关和数据　

相关的处理；任务管理器通过和并发控制器的通信负　

责获取各业务系统需要的数据。　

图１并发控制部分的结构模型　

３．１并发控制器的设计　

并发控制器负责跟数据库直接打交道，数据库中　

预先存有冲突表等信息，例如共享资源使用情况表等，　

主要包括各资源的使用情况。在工作流执行过程中，　

有用到具体资源的地方，需要修改资源冲突表，多工　

作流实例正常访问数据库可以利用ＤＢＭＳ本身的并发　

控制能力，当发现资源使用冲突时（如资源不足）利　

用流程定义的异常处理来处理异常，这样可以实现各　

流程之间的资源约束：同时并发控制器也和任务管理　

器交互，这一点在任务管理器中说明。为尽可能提高　

系统的性能效率，本文中并发控制器的设计原则是：　

在保证当前正在执行的工作流实例正确执行的同时，　

最大限度的允许其他工作流实例的执行。因此，保留　

站数量的设定可以根据实际应用来确定。下面是保留　

站的结构：　

ｌ　！　ｌ：：　Ｉ　

图２保留站结构图　

其中，第一部分ＮＯ标示保留站的编号；第二部　

分ｆｌａｇ是一个标志域，它标示保留站被占用与否，规　

定ｔｒｕｅ表示被占用：第三部分ｓｔ是一个状态域；第四　

部分ｖａｌｕｅ是一个工作流执行时需要的输入。我们规定　

如果ｓｔ的值是０，那么表示ｖａｌｕｅ的值是可用的，此工　

作流是可以执行的：否则此工作流不满足执行条件，　

需要等待第ＮＯ号标示的保留站的工作流执行完成后　

的值，得到值后将ｓｔ置为Ｏ并开始工作流的执行。因　

为都是事务工作流，执行中途不可中断。因此，可以　

通过保留站实现工作流之间的数据约束，而保留站关　

于工作流的执行规则正好实现了任务约束，因为如果　

有任务约束存在，那么某一工作流必须等待它的前提　

任务执行完成后才能得到它本身执行所需要的条件和　

值。　

当某一保留站的工作流执行完毕，立刻与数据库　

和任务管理器通信，将对共享资源的使用还原，这样　

就保证了每个并发执行的流程拥有共享资源的时间最　

短；同时将执行结果写回任务管理器。当这些工作都　

正常完成以后，清空保留站并修改ｆｌａｇ，以便接收任　

务管理器传递的下一个工作流实例。　

３．２任务管理器的设计　

允许工作流并行为了更好的提高系统性能，因此　

对每一个已经调度了的工作流，不管其执行条件满足　

与否任务管理器都直接将其送往保留站而不用在起始　

阶段就开始等待，因为在保留站那里将对其是否立即　

执行作出判断，这样就明显提高了系统处理效率。任　

务管理器负责和业务系统的数据交互，因为这一部分　

数据是业务系统直接需要的数据，因此可以不必写进　

数据库而直接返回给业务系统，从而大大提高了数据　

交换的效率。各业务系统通过自己的工作流ＩＤ来匹配　

任务管理器中的相应项，来决定数据值是否可取。任　

务管理器结构如下：　

ｌ　Ｉ）　Ｓｔ　Ｖａｌ　Ｕｅ　

图３任务管理器结构图　

Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ应用技术１　８３　

计算机系统应用　ｈｔｔｐ：／／ｗｗ、　ｃ・Ｓ・ａ．ｏｒｇ．ｃａ　２０１１年第２Ｏ卷第１２期　

主要包含３部分，其中ＩＤ为工作流编号域：ｓｔ　

是结果状态域；ｖａｌｕｅ是结果值域。当并发控制器的　

工作流执行保留站执行完某一工作流后在与任务管　

理器交互通信时根据当前工作流实例将工作流ＩＤ　

传回来，我们规定ｓｔ为０表示结果值ｖａｌｕｅ可用，　

否则需要等待。这样，各业务系统便可以保证最终　

得到的数据是正确的，而不会出现读‘脏数据’的现　

象。　

在解决资源约束问题时为了不过多的增加工作流　

程的设计难度应尽可能的结合实际项目利用现有方案　

来实现，譬如已经有利用ＤＢＭＳ所提供的服务来实现　

的Ｉ引，在这里我们也是采取的这种方式，将对共享资　

源访问的地方交给ＤＢＭＳ去处理；数据约束可以通过　

工作流执行保留站来实行；任务约束通过工作流在保　

留站的执行规则来实现；这三部分的约束一起实现事　

务工作流的约束，从而消除事务工作流之间的相关而　

达到工作流并行的目的，至此并发控制也就实现了。　

３－３一个例子　

有３个事务工作流实例ｗｆｌ，ｗｆ２，ｗｆ３分别如下：　

图４　３个事务工作流的实例　

其中，ｗｆｌ与ｗｆ２都需要访问资源Ｂ形成资源相　

关；ｗｆ２的输入依赖于ｗｆｌ的输出结果ｃ，这样二者　

形成了数据相关：而ｗｆ３的输入Ｃ和Ｄ都必须等到　

ｗｆｌ和ｗｆ２执行完成后才能得到，即形成了任务相关。　

在业务系统将这些工作流实例提交后，任务管理器首　

先从工作流调度队列中将这些工作流送到工作流执行　

保留站去执行，并假设ｗｆｌ、ｗｆ２、ｗｆ３所在的保留　

站分别是ｌ、２、３号。ｗｆ２与ｗｆ３的保留站状态分别　

如下：　

图　皿　

图５　ｗｆ２的保留站　

圆亘皿　

图６　ｗｆ３的保留站　

由于ｓｔ状态域均不为０，因此不满足执行的条件，　

要等待相应ＮＯ号的保留站的结果；ｗｆｌ的保留站状　

态如下：　

田耍丑Ⅱ圃　

图７　ｗｆｌ的保留站　

１８４应用技术Ａｐｐｌｉ￣ｌＴｅｃｈｎｉｑｕｅ　

在ｗｆｌ获得资源Ｂ后就满足执行条件开始执行，　

一

旦ｗｆｌ执行完毕，２号保留站就能得到相应的值而　

开始执行，与之类似，３号保留站也能顺利执行。当　

某一保留站执行完毕，就清理保留站现场同时通知任　

务管理器，将工作流实例的ＩＤ和相关值传回以便业务　

系统访问取得需要的数据。　

因此，不管工作流实例之间有怎样的相关，都可　

以直接先调度工作流而不用在开始阶段就等待，这样　

的并发有助于系统的处理效率。　

３．４系统应用　

在辽河流域水环境风险评估与预警平台建设及　

示范研究课题中，工作流系统作为整个项目里的一　

个业务支撑平台存在，其上是业务系统，如污染源　

管理系统等。在实际应用中，各业务系统的许多操　

作流程都属于事务性工作流。初期项目成果验证，　

该工作流系统运行良好，对实际业务流程的处理很　

稳定。　

４结语　

本文通过对工作流系统中已有并发控制的研究，　

参考处理器设计中指令流水的思想分析了工作流并发　

时的相关性，进而提出了三种约束的概念来实现事务　

工作流的并发控制；不仅实现了事务工作流的高效调　

度而且避免了一些丢失修改、读脏数据等典型的错误　

现象，达到了并发控制的目的。　

参考文献　

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程与设计，２００７，２８（１３）：３２０９—３２１２．　

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机工程与设计，２００３，２４（２）：６７—７３．　

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