Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
От корректного функционирования базы данных (БД) может зависеть не только скорость, но и надежность приложения. Для глубокого погружения в задачи специалисту, как правило, нужно освоить работу с транзакциями – об этом и пойдет речь ниже. Рассмотрим виды и свойства транзакций, а также постараемся понять, как устроен этот механизм. Надеемся, что статья может быть полезна начинающим разработчикам и всем, кто хочет лучше разобраться в теме.
От автора: однажды у меня спросили, что такое транзакция. Я попробовал рассказать простыми словами, но у меня не получилось, хотя я часто использовал это понятие. Поэтому прежде, чем говорить о свойствах транзакций, постараемся дать определение, для начала своими словами.
Что такое транзакция (transaction)?
Транзакция — это некий набор связанных операций с базой данных.
В первом приближении это действительно так. Однако, пока определение неполное. Не хватает самого главного, а именно — этот набор операций должен представлять единую логическую систему с данными.
Например, давайте представим такую ситуацию: у каждого человека есть карта, с помощью которой он может совершать определенные действия, будь то онлайн-покупка, перевод денежных средств с карты на карту, оплата счетов и т.д. Какие операции происходят в базе данных при совершении перевода денежных средств с одного лицевого счета на другой? В этой ситуации необходимо выполнить два запроса к базе данных:
1) С первого лицевого счета происходит списание N-ой суммы денежных средств.
2) На второй лицевой счет идет зачисление этой же суммы.
В данном случае эти две операции связаны и составляют единую логическую систему работы с данными. Теперь можно дать полное определение транзакции.
Транзакция — это набор последовательных операций с базой данных, соединенных в одну логическую единицу.
Виды транзакций
Транзакции делят на два вида:
Неявные транзакции, которые предусмотрены на уровне базы данных. Например, БД задает отдельную инструкцию INSERT, UPDATE или DELETE как единицу транзакции.
Явные транзакции — их начало и конец явно обозначаются такими инструкциями, как BEGIN TRANSACTION, COMMIT или ROLLBACK.
В ORM Laravel при использовании фасада DB есть возможность явно указать транзакцию с помощью конструкции DB::transaction(). Если необходимо больше гибкости, можно обратиться к конструкциям DB::beginTransaction(), DB::rollBack(), DB::commit().
Например:
use Illuminate\Support\Facades\DB;
DB::transaction(function () {
DB::update('update users set votes = 1');
DB::delete('delete from posts');
}, 5);Свойства транзакции
Выделяют так называемые «магические» свойства транзакции, которые описываются аббревиатурой «ACID». Каждая буква аббревиатуры означает одно из свойств, о которых мы поговорим ниже.
Atomicity или атомарность (A)
Вернемся к предыдущему примеру с переводом денежных средств между двумя лицевыми счетами. Мы установили, что эти 2 операции, которые взаимодействуют с базой данных, являются операциями транзакции. А какие проблемы могут возникнуть, если мы просто выполним эти операции последовательно, отправив два запроса к БД?
1) Первый запрос выполнится успешно. С первого лицевого счета будет списана N-ая сумма денежных средств.
2) Однако, в случае той или иной технической ошибки во время выполнения второго запроса может случиться так, что денежные средства с одного лицевого счета уйдут, а на другой счет не поступят.
В этой ситуации речь идет о проблеме потери данных. В целях снижения этого риска транзакции обладают таким свойством, как атомарность (atomicity), неделимость: либо будут выполнены все действия транзакции, либо никакие.
Consistency или согласованность (C)
Согласованность означает, что если до выполнения транзакции данные в БД находятся в неком состоянии «good state»*, то они будут в этом же состоянии и после выполнения транзакции.
*Иными словами, выполняется некий набор условий. Примеры: в таблице countries не должно быть двух строк с названием страны «Российская Федерация»; возраст человека не может быть больше 150 лет.
На самом деле ни одна база данных не может гарантировать свойство согласованности. А всё потому, что поддержание консистентности — это прерогатива приложения, а не БД. База данных лишь предоставляет инструменты для выполнения данного свойства транзакции, например, уникальные ключи, внешние ключи и т.д.
Isolation или изоляция (I)
Переходим к самому интересному свойству — изоляции. Представим ситуацию, когда в определенный момент времени с системой работают несколько пользователей. Естественно, операции транзакции в БД выполняются параллельно, чтобы ускорить работу системы. Но у параллельной работы транзакций есть свои подводные камни:
Если операции транзакции взаимодействуют с разным набором непересекающихся данных, все работает корректно.
Но что будет, если две и более операций транзакции в один момент времени начнут работать с одним и тем же набором данных? Возникнет явление, называемое race condition (состояние гонки).
Выделяют несколько эффектов, связанных с этим явлением.
Эффект потерянного обновления возникает, когда несколько транзакций обновляют одни и те же данные, не учитывая изменений, сделанных другими транзакциями.
Представим, что у клиента банка есть счет, на котором находится 1000 денежных единиц. Транзакции А и В считывают данное значение из БД. Транзакция А должна увеличить данную сумму на 100 денежных единиц, а транзакция В — на 200. Транзакция А увеличивает сумму денежных единиц на счёте на 100 (итого 1100) и записывает значение в БД, транзакция В увеличивает сумму на 200 денежных единиц и записывает в БД (итого 1200). В результате на счете должно оказаться 1300, а по факту имеем 1200 денежных единиц.
Эффект грязного чтения возникает, когда транзакция считывает данные, которые еще не были зафиксированы.
Представим, что транзакция А переводит все деньги клиента на другой счет, но не фиксирует изменения. Транзакция В считывает изменения счёта А, получает 0 денежных единиц на счете и отказывает клиенту в выдаче наличных. Транзакция А прерывается и отменяет перевод между счетами.
Эффект неповторяемого чтения возникает, когда транзакция считывает дважды одну и ту же строку, но каждый раз получает разные результаты.
Например, по правилу согласованности клиент банка не может иметь отрицательный баланс на счёте. Транзакция А хочет уменьшить баланс счета клиента на 200 денежных единиц. Она проверяет текущее значение суммы на счёте — 500 денежных единиц. В это время транзакция В уменьшает сумму на счёте до 0 и фиксирует изменения. Если бы транзакция А повторно проверила сумму, то получила бы 0 денежных единиц, но на основе первоначальных данных она уже приняла решение уменьшить значение, и счет уходит в минус.
Эффект чтения фантомов возникает, когда набор данных соответствует условиям поиска, но изначально не отображается.
Например, правило согласованности запрещает иметь клиенту более 3 лицевых счетов. Для открытия нового счета транзакция А проверяет все счета клиента банка и в результате получает 2 счета. В этот момент транзакция B открывает еще один счет клиенту и фиксирует изменения (3 счета). Если бы транзакция А повторно проверила количество лицевых счетов клиента, то их оказалось бы 3, и по правилу согласованности открытие нового счета было бы невозможно.
Решение
Для устранения данных эффектов на уровне баз данных предусмотрены уровни изоляции, или transaction isolation levels, которые так или иначе реализованы во многих СУБД. Для примера рассмотрим движок InnoDB в СУБД MySQL:
Read uncommitted – это уровень изоляции, при котором каждая транзакция видит незафиксированные изменения другой транзакции. Справляется с эффектом потерянного обновления, но остаются остальные проблемы: эффекты грязного чтения, неповторяемого чтения, чтения фантомов.
Все запросы SELECT считывают данные в неблокирующей манере.
Блокирующее чтение (SELECT … FOR UPDATE, LOCK IN SHARE MODE), UPDATE и DELETE блокирует искомые индексные строки. Таким образом, возможна вставка данных в промежутки между индексами. Промежутки блокируются только при проверках на дублирующиеся и внешние ключи.
Read committed — это уровень изоляции, при котором параллельно исполняющиеся транзакции видят только зафиксированные изменения других транзакций. Справляется с эффектами потерянного обновления и грязного чтения, остаются эффекты неповторяемого чтения и чтения фантомов.
Согласованное чтение не накладывает блокировок, однако считывает данные из свежего снэпшота. В остальном ведёт себя так же, как и read uncommitted.
Repeatable read или snapshot isolation — это уровень изоляции, при котором транзакция не видит изменения данных, прочитанные ей ранее, однако способна прочитать новые данные, соответствующие условию поиска. Справляется с эффектами потерянного обновления, грязного чтения, неповторяемого чтения, остается эффект чтения фантомов.
Согласованное чтение не накладывает блокировок и считывает данные из снэпшота, который создается при первом чтении в транзакции. Таким образом, одинаковые запросы вернут одинаковый результат.
Блокировка для блокирующего чтения будет зависеть от типа условия:
если условие с диапазоном, например, WHERE (id > 7), то блокируется весь диапазон;
если уникальное, например, WHERE (id = 7), то блокируется одна индексная запись.
Кстати, в InnoDB именно уровень repeatable read используется по умолчанию.
Serializable — это уровень изоляции, при котором каждая транзакция выполняется так, как будто параллельных транзакций не существует. Справляется со всеми перечисленными выше эффектами.
Аналогично repeatable read, но есть интересный момент. Если выключен autocommit (а при явном старте транзакции START TRANSACTION он выключен по умолчанию), то все запросы SELECT превращаются в запросы SELECT … LOCK IN SHARE MODE.
SELECT … LOCK IN SHARE MODE – блокирует считываемые строки на запись.
SELECT … FOR UPDATE – блокирует считываемые строки на чтение.
Теперь, когда разобрались со всеми подводными камнями, сформулируем определение изоляции.
Изоляция — это свойство транзакции, которое позволяет скрывать изменения, внесенные одной операцией транзакции при возникновении явления race condition.
Durability или долговечность (D)
Долговечность означает, что если транзакция выполнена, и даже если в следующий момент произойдет сбой в системе, результат сохранится.
Если вы пользуетесь облачными хранилищами, такими как Amazon S3, то могли заметить, что разные тарифы обещают вам разное количество девяток durability. В контексте облака durability означает сохранность ваших данных и то, как они реплицируются. Чем больше копий ваших данных в разных точках мира, тем выше вероятность их не потерять из-за наводнения, землетрясения или нашествия инопланетян. В контексте «ACID» это обычно означает, что после фиксирования данные записываются в постоянное хранилище.
Вывод
Как мы рассмотрели выше, ошибки при проведении транзакций могут приводить к нежелательным последствиям в работе с системой. В статье мы осветили возможные риски при проведении транзакции и то, как ее “магические свойства” помогают справиться с каждой отдельной проблемой. Надеемся, что этот материал был вам полезен, и ждем ваших комментариев.
