Роль транзакций в базах данных

Основная часть

Роль транзакций в базах данных

Транзакция (англ. transaction) – группа последовательных операций с базой данных, которая представляет собой логическую единицу работы с данными. Транзакция может быть выполнена либо целиком и успешно, соблюдая целостность данных и независимо от параллельно идущих других транзакций, либо не выполнена вообще и тогда она не должна произвести никакого эффекта. Транзакции обрабатываются транзакционными системами, в процессе работы которых создаётся история транзакций.

Различают последовательные (обычные), параллельные и распределённые транзакции. Распределённые транзакции подразумевают использование  больше чем одной транзакционной системы и требуют намного  более сложной логики (например, two-phase commit – двухфазный протокол фиксации транзакции). Также, в некоторых системах реализованы автономные транзакции, или под-транзакции, которые являются автономной частью родительской транзакции.

Транзакция – группа логически связанных операторов SQL, результаты которых могут быть зафиксированы или отменены как единое целое.

Понятие транзакции имеет непосредственную связь с понятием целостности  БД. Очень часто БД может обладать такими ограничениями целостности, которые просто невозможно не нарушить, выполняя только один оператор изменения БД. Например, в базе данных СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ естественным ограничением целостности является совпадения значения атрибута ОТД_РАЗМЕР в кортеже отношения ОТДЕЛЫ, описывающем данный отдел (например, отдел 320), с числом кортежей отношения СОТРУДНИКИ таких, что значение атрибута СОТР_ОТД_НОМЕР равно 320. Как в этом случае принять на работу в отдел 320 нового сотрудника? Независимо от того, какая операция будет выполнена первой, вставка нового кортежа в отношение СОТРУДНИКИ или модификация существующего кортежа в отношении ОТДЕЛЫ, после выполнения операции база данных окажется в нецелостном состоянии.

Поэтому для поддержания подобных ограничений  целостности допускается их нарушение  внутри транзакции с тем условием, чтобы к моменту завершения транзакции условия целостности были соблюдены. В системах с развитыми средствами ограничения и контроля целостности каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и должна оставить это состояние целостными после своего завершения. Несоблюдение этого условия приводит к тому, что вместо фиксации результатов транзакции происходит ее откат (т.е. вместо оператора COMMIT выполняется оператор ROLLBACK), и БД остается в таком состоянии, в котором находилась к моменту начала транзакции, т.е. в целостном состоянии.

Если  быть немного более точным, различаются  два вида ограничений целостности: немедленно проверяемые и откладываемые. К немедленно проверяемым ограничениям целостности относятся такие  ограничения, проверку которых бессмысленно или даже невозможно откладывать. Примером ограничения, проверку которого откладывать бессмысленно, являются ограничения домена (возраст сотрудника не может превышать 150 лет). Более сложным ограничением, проверку которого невозможно отложить, является следующее: зарплата сотрудника не может быть увеличена за одну операцию более, чем на 100,000 рублей. Немедленно проверяемые ограничения целостности соответствуют уровню отдельных операторов языкового уровня СУБД. При их нарушениях не производится откат транзакции, а лишь отвергается соответствующий оператор.

Откладываемые ограничения целостности - это ограничения  на базу данных, а не на какие-либо отдельные  операции. По умолчанию такие ограничения  проверяются при конце транзакции, и их нарушение вызывает автоматическую замену оператора COMMIT на оператор ROLLBACK. Однако в некоторых системах поддерживается специальный оператор насильственной проверки ограничений целостности внутри транзакции. Если после выполнения такого оператора обнаруживается, что условия целостности не выполнены, пользователь может сам выполнить оператор ROLLBACK или постараться устранить причины нецелостного состояния базы данных внутри транзакции (видимо, это осмысленно только при использовании интерактивного режима работы).

И еще одно замечание. С точки зрения внешнего представления в момент завершения транзакции проверяются все откладываемые ограничения целостности, определенные в этой базе данных. Однако при реализации стремятся при выполнении транзакции динамически выделить те ограничения целостности, которые действительно могли бы быть нарушены. Например, если при выполнении транзакции над базой данных СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ в ней не выполнялись операторы вставки или удаления кортежей из отношения СОТРУДНИКИ, то проверять упоминавшееся выше ограничение целостности не требуется (а проверка подобных ограничений вызывает достаточно большую работу).

Транзакции удовлетворяют набору ACID:

1. Atomicity (Атомарность). Атомарность гарантирует, что никакая транзакция не будет зафиксирована в системе частично. Будут либо выполнены все её подоперации, либо не выполнено ни одной.

2. Consistency (Согласованность). 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), 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. 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.

3. 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.

4. 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.

Принцип использования транзакций. Новая транзакция начинается с каждого  нового сеанса работы с базой данных. Далее все выполняемые SQL-операторы  будут входить в одну транзакцию до тех пор, пока не будет выполнен оператор COMMIT или ROLLBACK.

Оператор COMMIT завершает текущую  транзакцию, выполняя фиксацию сделанных  изменений в базе данных. Оператор ROLLBACK выполняет откат транзакции, отменяя действие всех SQL-операторов, выполненных в текущей транзакции.

Точки сохранения обеспечивают возможность  многоуровневой отмены — иначе говоря, позволяют вам решать, на какое  количество команд DML выполнить откат. Выдавая команду SAVEPOINT, вы устанавливаете именованный маркер, к которому можно будет вернуться по команде ROLLBACK. Точки сохранения остаются активными до завершения изменений данных, после этого они исчезают.

Критерии согласованности

Единственным критерием согласованности  данных является их удовлетворение ограничениям целостности. Ограничение целостности - это некоторое утверждение, которое может быть истинным или ложным в зависимости от состояния базы данных. База данных находится в согласованном (целостном) состоянии, если выполнены (удовлетворены) все ограничения целостности, определенные для базы данных.

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 Uncommitted, Dirty Read, грязное чтение) – чтение незафиксированных изменений своей транзакции и параллельных транзакций, возможны нечистые, неповторяемые чтения и фантомы

1 – Подтверждённое чтение (Read Committed) – чтение всех изменений своей транзакции и зафиксированных изменений параллельных транзакций, нечистые чтения невозможны, возможны неповторяемые чтения и фантомы;

2 – Повторяемое чтение (Repeatable Read, Snapshot) – чтение всех изменений своей транзакции, любые изменения, внесённые параллельными 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 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 Committed). Уровень 0 используется в основном для отслеживания изменений длительных транзакций или для чтения редко изменяемых данных. Уровни 2 и 3 используются при повышенных требованиях к изолированности транзакций.

Список использованных интернет-ресурсов