Транзакция (информатика)

Транза́кция (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.

Пример транзакции

Пример: необходимо перевести с банковского счёта номер 5 на счёт номер 7 сумму в 10 денежных единиц. Этого можно достичь, к примеру, приведённой последовательностью действий:

• Начать транзакцию

прочесть баланс на счету номер 5

уменьшить баланс на 10 денежных единиц

сохранить новый баланс счёта номер 5

прочесть баланс на счету номер 7

увеличить баланс на 10 денежных единиц

сохранить новый баланс счёта номер 7

• Окончить транзакцию

Эти действия представляют собой логическую единицу работы «перевод суммы между счетами», и таким образом, являются транзакцией. Если прервать данную транзакцию, к примеру, в середине, и не аннулировать все изменения, легко оставить владельца счёта номер 5 без 10 единиц, тогда как владелец счета номер 7 их не получит.

Свойства транзакций

Одним из наиболее распространённых наборов требований к транзакциям и транзакционным системам является набор ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability). Требования ACID были в основном сформулированы в конце 70-х годов Джимом Греем. Вместе с тем, существуют специализированные системы с ослабленными транзакционными свойствами.

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: Согласованность 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

См. также: Уровни изолированности транзакций

Во время выполнения транзакции параллельные транзакции не должны оказывать влияние на её результат. Это свойство не соблюдается на уровне изолированности Repeatable Read и ниже.

Durability — Надежность

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.

Уровни изоляции транзакций

См. также: Уровни изолированности 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.

Реализация

Полноценная реализация уровней изоляции и свойств ACID представляет собой нетривиальную задачу. Обработка поступающих данных приводит к большому количеству маленьких изменений, включая обновление как самих таблиц, так и индексов. Эти изменения потенциально могут потерпеть неудачу: закончилось место на диске, операция занимает слишком много времени (timeout) и т. д. Система должна в случае неудачи корректно вернуть базу данных в состояние до транзакции.

Первые коммерческие СУБД (к примеру, IBM DB2), пользовались исключительно блокировкой доступа к данным для обеспечения свойств ACID. Но большое количество блокировок приводит к существенному уменьшению производительности. Есть два популярных семейства решений этой проблемы, которые снижают количество блокировок:

• Журнализация изменений (write ahead logging, WAL)
• механизм теневых страниц (shadow paging).

В обоих случаях, блокировки должны быть расставлены на всю информацию, которая обновляется. В зависимости от уровня изоляции и имплементации, блокировки записи также расставляются на информацию, которая была прочитана транзакцией.

При упреждающей журнализации, используемой в Sybase и MS SQL Server до версии 2005, все изменения записываются в журнал, и только после успешного завершения — в базу данных. Это позволяет СУБД вернуться в рабочее состояние после неожиданного падения системы. Теневые страницы содержат копии тех страниц базы данных на начало транзакции, в которых происходят изменения. Эти копии активизируются после успешного завершения. Хотя теневые страницы легче реализуются, упреждающая журнализация более эффективна

Дальнейшее развитие технологий управления базами данных привело к появлению безблокировочных технологий. Идея контроля за параллельным доступом с помощью временных меток (timestamp-based concurrency control) была развита и привела к появлению многоверсионной архитектуры MVCC. Эти технологии не нуждаются ни в журнализации изменений, ни в теневых страницах. Архитектура, реализованная в Oracle 7.х и выше, записывает старые версии страниц в специальный сегмент отката, но они все ещё доступны для чтения. Если транзакция при чтении попадает на страницу, временная метка которой новее начала чтения, данные берутся из сегмента отката (то есть используется «старая» версия). Для поддержки такой работы ведётся журнал транзакций, но в отличие от «упреждающей журнализации», он не содержит данных. Работа с ним состоит из трёх логических шагов:

1. Записать намерение произвести некоторые операции
2. Выполнить задание, копируя оригиналы изменяемых страниц в сегмент отката
3. Записать, что всё сделано без ошибок

Журнал транзакций в сочетании с сегментом отката (область, в которой хранится копия всех изменяемых в ходе транзакции данных) гарантирует целостность данных. В случае сбоя запускается процедура восстановления, которая просматривает отдельные его записи следующим образом:

• Если повреждена запись, то сбой произошёл во время проставления отметки в журнале. Значит, ничего важного не потерялось, игнорируем эту ошибку.
• Если все записи помечены как успешно выполненные, то сбой произошёл между транзакциями, здесь также нет потерь.
• Если в журнале есть незавершённая транзакция, то сбой произошёл во время записи на диск. В этом случае мы восстанавливаем старую версию данных из сегмента отката.

Firebird вообще не имеет ни журнала изменений, ни сегмента отката, а реализует MVCC, записывая новые версии строк таблиц прямо в активное пространство данных. Так же поступает MS SQL 2005. Теоретически это даёт максимальную эффективность при параллельной работе с данными, но ценой является необходимость «сборки мусора», то есть удаления старых и уже не нужных версий данных.

См. также

• Транзакционная система
• ACID
• Атомарные операции
• Программная транзакционная память