19. Транзакция. Acid – свойства транзакций. Уровни изоляции транзакций. Проблемы параллелизма при работе с транзакциями в многопользовательском режиме.

Транзакция (transaction) — это логическая единица работы (точнее, логическая

единица работы базы данных), обычно включающая несколько операций базы

данных (в частности, несколько операций модификации данных). Стандартный

пример — перевод некоторой суммы денег со счета А на счет В. Очевидно, что в

данном случае необходимы два изменения: списание некоторой суммы со счета А и зачисление ее на счет В. Если пользователь укажет, что оба изменения входят в

одну и ту же транзакцию, то система сможет реально гарантировать, что либо будут выполнены оба эти изменения, либо не будет выполнено ни одно из них, если до

завершения процесса внесения изменений в системе произойдет сбой (скажем, из-за перерыва в подаче электроэнергии).

ACID-свойства транзакций

Характеристики транзакций описываются в терминах ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability – неделимость, согласованность, изолированность, устойчивость).

• Транзакция неделима в том смысле, что представляет собой единое целое. Все ее компоненты либо имеют место, либо нет. Не бывает частичной транзакции. Если может быть выполнена лишь часть транзакции, она отклоняется.

• Транзакция является согласованной, потому что не нарушает бизнес-логику и отношения между элементами данных. Это свойство очень важно при разработке клиент-серверных систем, поскольку в хранилище данных поступает большое количество транзакций от разных систем и объектов. Если хотя бы одна из них нарушит целостность данных, то все остальные могут выдать неверные результаты.

• Транзакция всегда изолирована, поскольку ее результаты самодостаточны. Они не зависят от предыдущих или последующих транзакций – это свойство называется сериализуемостью и означает, что транзакции в последовательности независимы.

• Транзакция устойчива. После своего завершения она сохраняется в системе, которую ничто не может вернуть в исходное (до начала транзакции) состояние, т.е. происходит фиксация транзакции, означающая, что ее действие постоянно даже при сбое системы. При этом подразумевается некая форма хранения информации в постоянной памяти как часть транзакции.

Уровни изоляции транзакций

В идеале транзакции разных пользователей должны выполняться так, чтобы создавалась иллюзия, что пользователь текущей транзакции — единственный. Однако в реальности, по соображениям производительности и для выполнения некоторых специальных задач, СУБД предоставляют различные уровни изоляции транзакций. Уровни описаны в порядке увеличения изоляции транзакций и надёжности работы с данными

0 — Неподтверждённое чтение (Read Uncommited, Dirty Read, грязное чтение) — чтение незафиксированных изменений своей транзакции и конкурирующих транзакций, возможны нечистые, неповторяемые чтения и фантомы

1 — Подтверждённое чтение (Read Commited) — чтение всех изменений своей транзакции и зафиксированных изменений конкурирующих транзакций, нечистые чтения невозможны, возможны неповторяемые чтения и фантомы

2 — Повторяемое чтение (Repeatable Read ,Snapshot) — чтение всех изменений своей транзакции, любые изменения, внесённые конкурирующими транзакциями после начала своей недоступны, нечистые и неповторяемые чтения невозможны, возможны фантомы

3 — Упорядоченный — (Serializable, сериализуемый) — упорядоченные (сериализуемые) транзакции. Идентичен ситуации при которой транзакции выполняются строго последовательно одна после другой. То есть транзакции, результат действия которых не зависит от порядка выполнения шагов транзакции (запрещено чтение всех данных изменённых с начала транзакции, в том числе и своей транзакцией). Фантомы невозможны.

Чем выше уровень изоляции, тем больше требуется ресурсов, чтобы их поддерживать.

В СУБД уровень изоляции транзакций можно выбрать как для всех транзакций сразу, так и для одной конкретной транзакции. По умолчанию в большинстве баз данных используется уровень 1 (Read Commited). Уровень 0 используется в основном для отслеживания изменений длительных транзакций или для чтения редкоизменяемых данных. Уровни 2 и 3 используются при повышенных требованиях к изолированности транзакций.

Atomicity — Атомарность

Основная статья: Атомарность

Атомарность гарантирует, что никакая транзакция не будет зафиксирована в системе частично. Будут либо выполнены все её подоперации, либо не выполнено ни одной. Поскольку на практике невозможно одновременно и атомарно выполнить всю последовательность операций внутри транзакции, вводится понятие «отката» (rollback): если транзакцию не удаётся полностью завершить, результаты всех её до сих пор произведённых действий будут отменены и система вернётся в исходное состояние.

Consistency — Согласованность

Основная статья: Консистентность данных

Одно из самых сложных и неоднозначных свойств из четвёрки ACID. В соответствии с этим требованием, система находится в согласованном состоянии до начала транзакции и должна остаться в согласованном состоянии после завершения транзакции. Не нужно путать требование согласованности с требованиями целостности (integrity). Последние правила являются более узкими и, во многом, специфичны для реляционных СУБД: есть требования целостности типов (domain integrity), целостности ссылок (referential integrity), целостности сущностей (entity integrity), которые не могут быть нарушены физически в силу особенностей реализации системы.

Согласованность является более широким понятием. Например, в банковской системе может существовать требование равенства суммы, списываемой с одного счёта, сумме, зачисляемой на другой. Это бизнес-правило и оно не может быть гарантировано только проверками целостности, его должны соблюсти программисты при написании кода транзакций. Если какая-либо транзакция произведёт списание, но не произведёт зачисление, то система останется в некорректном состоянии и свойство согласованности будет нарушено.

Наконец, ещё одно замечание касается того, что в ходе выполнения транзакции согласованность не требуется. В нашем примере, списание и зачисление будут, скорее всего, двумя разными подоперациями и между их выполнением внутри транзакции будет видно несогласованное состояние системы. Однако не нужно забывать, что при выполнении требования изоляции, никаким другим транзакциям эта несогласованность не будет видна. А атомарность гарантирует, что транзакция либо будет полностью завершена, либо ни одна из операций транзакции не будет выполнена. Тем самым эта промежуточная несогласованность является скрытой.

Isolation — Изолированность

Во время выполнения транзакции другие процессы не должны видеть данные в промежуточном состоянии. Например, если транзакция изменяет сразу несколько полей в базе данных, то другой запрос, выполненный во время выполнения транзакции, не должен вернуть одни из этих полей с новыми значениями, а другие с исходными.

Durability — Долговечность

Независимо от проблем на нижних уровнях (к примеру, обесточивание системы или сбои в оборудовании) изменения, сделанные успешно завершённой транзакцией, должны остаться сохранёнными после возвращения системы в работу. Другими словами, если пользователь получил подтверждение от системы, что транзакция выполнена, он может быть уверен, что сделанные им изменения не будут отменены из-за какого-либо сбоя.