ACID

Общее #

ACID – это аббревиатура, которая описывает четыре основных свойства транзакций в системах управления базами данных (СУБД). Эти свойства обеспечивают надежность и целостность данных при обработке транзакций.

Вот что означает каждый из этих свойств:

Atomicity (Атомарность) – транзакция является неделимой и должна быть выполнена полностью или не выполнена вообще. Если транзакция не может быть выполнена до конца, то СУБД должна откатить ее и вернуть данные к предыдущему состоянию. Это гарантирует, что если транзакция не может быть выполнена успешно, то все изменения, внесенные в базу данных до этого момента, будут отменены.

Consistency (Согласованность) – транзакции должны поддерживать целостность данных. Это означает, что если данные в базе данных находятся в конкретном состоянии, то любая транзакция должна привести базу данных к другому согласованному состоянию. Транзакции не могут изменять данные в противоречии с правилами базы данных.

Isolation (Изолированность) – каждая транзакция должна выполняться в изоляции от других транзакций, т.е. не должно быть видимости изменений, внесенных в базу данных другими транзакциями, пока текущая транзакция не завершена. Это гарантирует, что транзакции не будут конфликтовать между собой.

Durability (Долговечность) – изменения, внесенные в базу данных транзакцией, должны быть сохранены и доступны после завершения транзакции, даже если происходит отказ системы или другой сбой. Это гарантирует, что данные в базе данных сохранятся даже в случае сбоя системы.

ACID-свойства очень важны для проектирования ПО, особенно при работе с транзакционными базами данных. При соблюдении этих свойств, разработчики могут создавать приложения, которые гарантируют, что данные будут сохранены в надежном состоянии и не будут повреждены в случае сбоя или других непредвиденных обстоятельств. Однако, использование ACID-свойств может иметь некоторые ограничения на производительность системы, особенно при работе с большими объемами данных и высокими нагрузками на базу данных. Поэтому, для некоторых приложений может быть более подходящим использование более гибких моделей данных, таких как BASE (Basically Available, Soft State, Eventually Consistent), которые предоставляют более высокую производительность за счет некоторой потери надежности.

Atomicity (Атомарность) #

Atomicity (Атомарность) - это одно из основных свойств транзакций в базах данных, которое гарантирует, что если транзакция не может быть выполнена полностью, то все изменения, внесенные в базу данных до этого момента, будут отменены. Таким образом, приложение может быть уверено в том, что транзакция не оставит базу данных в несогласованном состоянии. Атомарность также позволяет обрабатывать ошибки и исключения при выполнении транзакций, без угрозы повреждения данных.

Чтобы обеспечить атомарность транзакций, базы данных используют механизмы логирования и отката. Логирование позволяет записывать все изменения, внесенные в базу данных во время выполнения транзакции в журнал транзакций. Если транзакция не может быть завершена из-за сбоя системы или других ошибок, то база данных может использовать этот журнал для отмены всех изменений, внесенных в базу данных этой транзакцией.

Например, представьте, что вы отправляете перевод средств с одного банковского счета на другой через интернет-банкинг. Это действие состоит из нескольких операций, таких как проверка баланса, вычитание суммы со счета отправителя, добавление суммы на счет получателя и обновление соответствующих записей в базе данных. Если транзакция завершается успешно, все изменения, связанные с этой транзакцией, должны быть выполнены в базе данных. Однако, если происходит ошибка, например, на банковском счете отправителя недостаточно средств для выполнения перевода, тогда все изменения, внесенные в базу данных, должны быть отменены, чтобы сохранить базу данных в согласованном состоянии.

Таким образом, атомарность гарантирует, что каждая транзакция в базе данных является “все-или-ничего” событием. Транзакция будет выполнена целиком или не выполнена вообще. Это позволяет обеспечить надежность и целостность данных в базе данных.

Consistency (Согласованность) #

Consistency (Согласованность) - это одно из свойств транзакций в базах данных, которое гарантирует, что база данных всегда находится в согласованном состоянии до и после выполнения транзакции. Это означает, что если база данных была в согласованном состоянии до начала выполнения транзакции, то после ее завершения база данных также должна остаться в согласованном состоянии.

Для обеспечения согласованности, базы данных используют ограничения целостности и другие механизмы проверки данных. Ограничения целостности определяют правила и ограничения для данных в базе данных, такие как ограничение на уникальность значений поля, ограничение на ссылочную целостность между таблицами и т.д. Если транзакция нарушает какое-либо ограничение целостности, то она не будет выполнена и база данных останется в согласованном состоянии.

Например, представьте, что в базе данных есть таблица “Клиенты” и таблица “Заказы”. Ограничение целостности может запретить создание заказа, если в таблице “Клиенты” не существует клиента с соответствующим идентификатором. Если транзакция пытается создать заказ для несуществующего клиента, она будет отклонена, и база данных останется в согласованном состоянии.

Согласованность также может гарантировать, что все операции в базе данных будут выполнены в правильном порядке. Например, если транзакция должна обновить несколько записей в таблице, то согласованность гарантирует, что эти записи будут обновлены в правильном порядке, чтобы избежать противоречий или несогласованности данных.

Таким образом, согласованность гарантирует, что база данных всегда находится в согласованном состоянии, и что любые изменения, внесенные в базу данных, соответствуют ограничениям целостности и правилам. Это позволяет приложению быть уверенным в правильности и надежности данных в базе данных.

Isolation (Изолированность) #

Isolation (Изолированность) - это свойство транзакций в базах данных, которое гарантирует, что выполнение одной транзакции не будет затронуто выполнением другой транзакции. Оно означает, что каждая транзакция должна быть изолирована от других транзакций, выполняющихся параллельно.

Это свойство важно для того, чтобы гарантировать, что изменения, внесенные одной транзакцией, не будут видны другой транзакцией до того, как первая транзакция завершится. Это позволяет избежать проблем с согласованностью данных, таких как чтение грязных данных (Dirty Read), чтение неповторяемых данных (Non-Repeatable Read), фантомное чтение (Phantom Read) и других.

Чтобы обеспечить изолированность, базы данных используют различные уровни изоляции транзакций, которые определяют, каким образом выполняется изоляция между транзакциями. Наиболее распространенными уровнями изоляции являются:

1. Read Uncommitted (Неподтвержденное чтение) - это самый низкий уровень изоляции, при котором транзакции могут читать недопустимые данные, которые могут быть изменены другими транзакциями. Этот уровень изоляции позволяет снизить нагрузку на базу данных, но может привести к проблемам согласованности данных.

2. Read Committed (Подтвержденное чтение) - это уровень изоляции, при котором транзакции могут читать только данные, которые были подтверждены другими транзакциями. Транзакции не могут читать грязные данные, но могут столкнуться с проблемами повторяемого чтения или фантомных строк.

3. Repeatable Read (Повторяемое чтение) - это уровень изоляции, при котором транзакции могут читать только те данные, которые были прочитаны в начале транзакции. Это позволяет избежать проблем повторяемого чтения и фантомных строк.

4. Serializable (Сериализуемость) - это самый высокий уровень изоляции, при котором транзакции выполняются последовательно. Это гарантирует, что транзакции не будут конфликтовать друг с другом и позволяет избежать проблем всех уровней изоляции.

Наиболее высокий уровень изоляции Serializable обеспечивает наиболее высокую степень изоляции, но при этом может быть достаточно дорогостоящим для выполнения. Более низкие уровни изоляции, такие как Read Committed или Read Uncommitted, могут быть быстрее, но при этом могут привести к проблемам согласованности данных.

Кроме уровней изоляции, базы данных также могут использовать другие механизмы для обеспечения изоляции, такие как блокировки. Блокировки могут применяться для того, чтобы предотвратить изменение данных, которые читаются или изменяются другими транзакциями.

Например, если две транзакции пытаются изменить одну и ту же строку в таблице, то одна из них может быть заблокирована до тех пор, пока другая транзакция не завершится. Это гарантирует, что изменения, внесенные одной транзакцией, не будут повреждать данные, с которыми работает другая транзакция.

Наличие изоляции транзакций в базе данных позволяет обеспечить согласованность данных, даже если в базе работают несколько транзакций одновременно. Без изоляции транзакций могут возникать различные проблемы, такие как конфликты изменений, неправильное чтение данных или потеря изменений, что может привести к повреждению данных и некорректной работе приложения.

Durability (Долговечность) #

Долговечность (Durability) - это свойство транзакций, которое гарантирует, что после успешного завершения транзакции изменения данных будут сохранены даже в случае сбоя системы.

При выполнении транзакции данные могут быть записаны в различные хранилища, такие как оперативная память, кеш-память, жесткий диск и т.д. Однако в случае, если система перестает работать из-за сбоя аппаратного обеспечения или программного сбоя, данные могут быть утрачены, если они еще не были записаны на долговременное хранилище, такое как жесткий диск.

Для обеспечения долговечности система должна применять механизмы журналирования (logging) или другие механизмы, которые позволяют восстановить изменения данных после сбоя системы. К примеру, если система использует журнал транзакций, то каждое изменение данных в базе данных будет записываться в этот журнал, причем запись будет выполнена до того, как изменения будут применены к самим данным. Таким образом, если произойдет сбой системы, то после ее перезапуска изменения данных могут быть восстановлены из журнала.

Важно понимать, что долговечность гарантирует сохранение изменений данных только в случае успешного завершения транзакции. Если транзакция не была завершена успешно, например, из-за ошибки в приложении или сетевого сбоя, то изменения данных могут быть утеряны. Поэтому важно тщательно проектировать приложения и обеспечивать корректное выполнение транзакций для минимизации риска потери данных.

Применение #

ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability) - это набор требований для обеспечения надежности и согласованности данных при выполнении транзакций в базе данных. Однако не всегда требуется строгое соблюдение этих требований, и для некоторых систем может быть достаточно использования более гибких подходов.

Рассмотрим несколько случаев, когда может потребоваться применение ACID:

Финансовые транзакции. Когда речь идет о финансовых транзакциях, таких как переводы денежных средств между счетами, ACID является обязательным требованием. В этом случае даже небольшие ошибки могут привести к непредсказуемым последствиям, поэтому необходимо гарантировать полную согласованность данных.

Медицинские записи. При работе с медицинскими данными важно обеспечить точность и согласованность информации. ACID может помочь предотвратить ошибки при записи и изменении медицинских данных.

Электронная коммерция. В системах электронной коммерции, где происходят множественные транзакции между покупателями и продавцами, необходимо гарантировать полную согласованность данных. Это позволяет избежать проблем с обработкой заказов, платежей и доставки товаров.

Не все системы требуют строгого соблюдения ACID. Например, для систем, где данные не критичны или изменяются редко, может быть достаточно использования более гибких подходов, таких как BASE (Basically Available, Soft state, Eventually consistent), которые позволяют более быстро обрабатывать данные и уменьшить нагрузку на систему. Также для ряда задач, например, в системах аналитики данных, может потребоваться более гибкая модель данных без строгой согласованности.

Сложности #

Использование ACID-систем может иметь некоторые ограничения и сложности, включая:

Производительность: ACID-системы могут иметь более высокую задержку и меньшую производительность по сравнению с некоторыми нереляционными системами. Это связано с тем, что ACID-транзакции должны быть выполнены атомарно, что может приводить к дополнительным накладным расходам.

Сложность масштабирования: ACID-системы могут быть менее масштабируемыми, чем нереляционные системы, поскольку они требуют более сложной координации между узлами и управления блокировками.

Блокировки: ACID-системы могут сталкиваться с проблемами блокировок, если несколько транзакций пытаются получить доступ к одним и тем же данным одновременно. Это может привести к блокировке данных и снижению производительности системы.

Ограниченность схемы данных: ACID-системы часто требуют, чтобы данные были организованы в определенной структуре (например, таблицы в реляционных базах данных). Это может ограничивать гибкость системы и усложнять добавление новых функций.

Сложность развертывания: ACID-системы могут быть сложными в развертывании и управлении, требуя наличия опытных специалистов для установки, конфигурации и поддержки системы.

В целом, использование ACID-систем может иметь свои ограничения и сложности, но, с другой стороны, эти системы предоставляют гарантию транзакционной целостности данных, что является критически важным для некоторых приложений, таких как банковские системы, системы управления складами и системы управления производством.

Поделиться: