Транзакции
Транзакция — это N (N≥1) запросов к БД, которые выполнятся успешно все вместе или не выполнятся вовсе. Изолированность же транзакции показывает то, насколько сильно влияют друг на друга параллельно выполняющиеся транзакции. Выбирая уровень транзакции, мы пытаемся прийти к консенсусу в выборе между высокой согласованностью данных между транзакциями и скоростью выполнения этих самых транзакций. Стоит отметить, что самую высокую скорость выполнения и самую низкую согласованность имеет уровень read uncommitted. Самую низкую скорость выполнения и самую высокую согласованность — serializable.
Уровень изолированности транзакций — условное значение, определяющее, в какой мере в результате выполнения логически параллельных транзакций в СУБД допускается получение несогласованных данных.
Проблемы параллельного доступа с использованием транзакций
При параллельном выполнении транзакций возможны следующие проблемы:
потерянное обновление (англ. lost update) — при одновременном изменении одного блока данных разными транзакциями теряются все изменения, кроме последнего;
«грязное» чтение (англ. dirty read) — чтение данных, добавленных или изменённых транзакцией, которая впоследствии не подтвердится (откатится);
неповторяющееся чтение (англ. non-repeatable read) — при повторном чтении в рамках одной транзакции ранее прочитанные данные оказываются изменёнными;
фантомное чтение (англ. phantom reads) — одна транзакция в ходе своего выполнения несколько раз выбирает множество строк по одним и тем же критериям. Другая транзакция в интервалах между этими выборками добавляет строки или изменяет столбцы некоторых строк, используемых в критериях выборки первой транзакции, и успешно заканчивается. В результате получится, что одни и те же выборки в первой транзакции дают разные множества строк.
Рассмотрим ситуации, в которых возможно возникновение данных проблем.
Потерянное обновление
Ситуация, когда при одновременном изменении одного блока данных разными транзакциями одно из изменений теряется.
Предположим, имеются две транзакции, выполняемые одновременно:
В обеих транзакциях изменяется значение поля f2, по их завершении значение поля должно быть увеличено на 45. В действительности может возникнуть следующая последовательность действий:
Обе транзакции одновременно читают текущее состояние поля. Точная физическая одновременность здесь не обязательна, достаточно, чтобы вторая по порядку операция чтения выполнилась до того, как другая транзакция запишет свой результат.
Обе транзакции вычисляют новое значение поля, прибавляя, соответственно, 20 и 25 к ранее прочитанному значению.
Транзакции пытаются записать результат вычислений обратно в поле f2. Поскольку физически одновременно две записи выполнить невозможно, в реальности одна из операций записи будет выполнена раньше, другая позже. При этом вторая операция записи перезапишет результат первой.
В результате значение поля f2 по завершении обеих транзакций может увеличиться не на 45, а на 20 или 25, то есть одна из изменяющих данные транзакций «пропадёт».
«Грязное» чтение
Чтение данных, добавленных или изменённых транзакцией, которая впоследствии не подтвердится (откатится).
Предположим, имеются две транзакции, открытые различными приложениями, в которых выполнены следующие SQL-операторы:
В транзакции 1 изменяется значение поля f2, а затем в транзакции 2 выбирается значение этого поля. После этого происходит откат транзакции 1. В результате значение, полученное второй транзакцией, будет отличаться от значения, хранимого в базе данных.
Неповторяющееся чтение
Ситуация, когда при повторном чтении в рамках одной транзакции ранее прочитанные данные оказываются изменёнными.
Предположим, имеются две транзакции, открытые различными приложениями, в которых выполнены следующие SQL-операторы:
В транзакции 2 выбирается значение поля f2, затем в транзакции 1 изменяется значение поля f2. При повторной попытке выбора значения из поля f2 в транзакции 2 будет получен другой результат. Эта ситуация особенно неприемлема, когда данные считываются с целью их частичного изменения и обратной записи в базу данных.
Чтение «фантомов»
Ситуация, когда при повторном чтении в рамках одной транзакции одна и та же выборка дает разные множества строк.
Предположим, имеется две транзакции, открытые различными приложениями, в которых выполнены следующие SQL-операторы:
В транзакции 2 выполняется SQL-оператор, использующий все значения поля f2. Затем в транзакции 1 выполняется вставка новой строки, приводящая к тому, что повторное выполнение SQL-оператора в транзакции 2 выдаст другой результат. Такая ситуация называется чтением фантома (фантомным чтением). От неповторяющегося чтения оно отличается тем, что результат повторного обращения к данным изменился не из-за изменения/удаления самих этих данных, а из-за появления новых (фантомных) данных.
Уровни изоляции
Под «уровнем изоляции транзакций» понимается степень обеспечиваемой внутренними механизмами СУБД (то есть не требующей специального программирования) защиты от всех или некоторых видов вышеперечисленных несогласованности данных, возникающих при параллельном выполнении транзакций. Стандарт SQL-92 определяет шкалу из четырёх уровней изоляции: Read uncommitted, Read committed, Repeatable read, Serializable. Первый из них является самым слабым, последний — самым сильным, каждый последующий включает в себя все предыдущие.
Read uncommitted (чтение незафиксированных данных)
Низший (первый) уровень изоляции. Он гарантирует только отсутствие потерянных обновлений[1]. Если несколько параллельных транзакций пытаются изменять одну и ту же строку таблицы, то в окончательном варианте строка будет иметь значение, определенное всем набором успешно выполненных транзакций. При этом возможно считывание не только логически несогласованных данных, но и данных, изменения которых ещё не зафиксированы.
Типичный способ реализации данного уровня изоляции — блокировка данных на время выполнения команды изменения, что гарантирует, что команды изменения одних и тех же строк, запущенные параллельно, фактически выполнятся последовательно, и ни одно из изменений не потеряется. Транзакции, выполняющие только чтение, при данном уровне изоляции никогда не блокируются.
Read committed (чтение фиксированных данных)
Большинство промышленных СУБД, в частности, Microsoft SQL Server, PostgreSQL и Oracle, по умолчанию используют именно этот уровень. На этом уровне обеспечивается защита от чернового, «грязного» чтения, тем не менее, в процессе работы одной транзакции другая может быть успешно завершена и сделанные ею изменения зафиксированы. В итоге первая транзакция будет работать с другим набором данных.
Реализация завершённого чтения может основываться на одном из двух подходов: блокировании или версионности.Блокирование читаемых и изменяемых данных.Заключается в том, что пишущая транзакция блокирует изменяемые данные для читающих транзакций, работающих на уровне read committed или более высоком, до своего завершения, препятствуя, таким образом, «грязному» чтению, а данные, блокируемые читающей транзакцией, освобождаются сразу после завершения операции SELECT (таким образом, ситуация «неповторяющегося чтения» может возникать на данном уровне изоляции).Сохранение нескольких версий параллельно изменяемых строк.При каждом изменении строки СУБД создаёт новую версию этой строки, с которой продолжает работать изменившая данные транзакция, в то время как любой другой «читающей» транзакции возвращается последняя зафиксированная версия. Преимущество такого подхода в том, что он обеспечивает бо́льшую скорость, так как предотвращает блокировки. Однако он требует, по сравнению с первым, существенно бо́льшего расхода оперативной памяти, которая тратится на хранение версий строк. Кроме того, при параллельном изменении данных несколькими транзакциями может создаться ситуация, когда несколько параллельных транзакций произведут несогласованные изменения одних и тех же данных (поскольку блокировки отсутствуют, ничто не помешает это сделать). Тогда та транзакция, которая зафиксируется первой, сохранит свои изменения в основной БД, а остальные параллельные транзакции окажется невозможно зафиксировать (так как это приведёт к потере обновления первой транзакции). Единственное, что может в такой ситуации СУБД — это откатить остальные транзакции и выдать сообщение об ошибке «Запись уже изменена».
Конкретный способ реализации выбирается разработчиками СУБД, а в ряде случаев может настраиваться.
Repeatable read (повторяемость чтения)
Уровень, при котором читающая транзакция «не видит» изменения данных, которые были ею ранее прочитаны. При этом никакая другая транзакция не может изменять данные, читаемые текущей транзакцией, пока та не окончена.
Блокировки в разделяющем режиме применяются ко всем данным, считываемым любой инструкцией транзакции, и сохраняются до её завершения. Это запрещает другим транзакциям изменять строки, которые были считаны незавершённой транзакцией. Однако другие транзакции могут вставлять новые строки, соответствующие условиям поиска инструкций, содержащихся в текущей транзакции. При повторном запуске инструкции текущей транзакцией будут извлечены новые строки, что приведёт к фантомному чтению. Учитывая то, что разделяющие блокировки сохраняются до завершения транзакции, а не снимаются в конце каждой инструкции, степень параллелизма ниже, чем при уровне изоляции READ COMMITTED. Поэтому пользоваться данным и более высокими уровнями транзакций без необходимости обычно не рекомендуется.
Serializable (упорядочиваемость)
Самый высокий уровень изолированности; транзакции полностью изолируются друг от друга, каждая выполняется так, как будто параллельных транзакций не существует. Только на этом уровне параллельные транзакции не подвержены эффекту «фантомного чтения».
Подходы к реализации уровней изоляции
Существует два глобально различных подхода к реализации изолированности: блокирование и версионирование.
Версионирование (snapshot) означает, что транзакции будут работать со своей копией данных, не влияя друг на друга, но впоследствии несколько изменённых копий надо будет как-то слить в одну. Строгость версионирования регулирует моменты (когда) и размеры (сколько данных копировать) этих копий.
Блокирование (lock) означает, что одна транзакция будет ждать другую, чтобы избежать побочных эффектов, в зависимости от строгости уровней изоляции этих транзакций. Различные виды блокировок обеспечивают более гранулярное блокирование, например, только по строкам, или только на небольшой кусочек транзакции, а не на всю.
В описаниях блокировок часто всплывает понятие оптимистичной и пессимистичной блокировки. Это два высокоуровневых термина, которые обозначают следующее:
Пессимистичная блокировка происходит как можно раньше, чтобы предотвратить как можно больше побочных эффектов, но транзакции чаще ждут друг-друга. Например, блокирование на обновление строк, которые прочитала транзакция в режиме read committed — это пессимистичная блокировка, потому что она происходит, как только ваша транзакция прочитала строки, не смотря на то, будет ли их кто-то обновлять или нет.
Оптимистичная блокировка происходит как можно позже, чтобы транзакции реже ждали друг-друга. Плата за такой вид блокировки — необходимость обрабатывать “конфликт обновления”. Конфликт обновления происходит, например, когда “ваша” транзакция прочитала строки и хочет их обновить, но другая транзакция их уже обновила — при оптимистичной блокировке эта ошибка возникнет в “вашей” транзакции и её надо корректно обработать: как минимум, повторить транзакцию позже, как максимум, обработать ошибку прямо в коде транзакции.
Изоляция транзакций в Postgresql
Уровень изоляции Read Committed
Уровень изоляции Repeatable Read
Уровень изоляции Serializable
Read Committed — уровень изоляции транзакции, выбираемый в Postgres Pro по умолчанию
Ссылки:
Last updated
