Обработка транзакций
Транзакция представляет собой последовательность операторов языка SQL, которая рассматривается как некоторое неделимое действие над базой данных, осмысленное с точки зрения пользователя. В то же время, это логическая единица работы системы. Транзакция реализует некоторую прикладную функцию, например, перевод денег с одного счета на другой в банковской системе.
Существуют различные модели транзакций, которые могут быть классифицированы на основании различных свойств, включающих структуру транзакции, параллельность внутри транзакции, продолжительность и т.д. Чаще всего имеют в виду традиционные транзакции, характеризуемые четырьмя классическими свойствами: атомарности, согласованности, изолированности, долговечности (прочности) - ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability). Иногда традиционные транзакции называют ACID-транзакциями. Упомянутые выше свойства означают следующее:
1. Свойство атомарности выражается в том, что транзакция должна быть выполнена в целом или не выполнена вовсе.
2. Свойство согласованности гарантирует, что по мере выполнения транзакций данные переходят из одного согласованного состояния в другое - транзакция не разрушает взаимной согласованности данных.
3. Свойство изолированности означает, что конкурирующие за доступ к базе данных транзакции физически обрабатываются последовательно, изолированно друг от друга, но для пользователей это выглядит так, как будто они выполняются параллельно.
4. Свойство долговечности трактуется следующим образом: если транзакция завершена успешно, то те изменения в данных, которые были ею произведены, не могут быть потеряны ни при каких обстоятельствах (даже в случае последующих ошибок).
Расширенные транзакции допускают формирование из ACID-транзакций иерархических структур. Если конкретная модель ослабляет некоторые из требований ACID, то речь идет об ослабленной транзакции.
Возможны два варианта завершения транзакции. Если все операторы выполнены успешно, и в процессе выполнения транзакции не произошло никаких сбоев программного или аппаратного обеспечения, транзакция фиксируется.
Фиксация транзакции - это действие, обеспечивающее запись на диск изменений в базе данных, которые были сделаны в процессе выполнения транзакции. До тех пор, пока транзакция не зафиксирована, возможно аннулирование этих изменений, восстановление базы данных в то состояние, в котором она была на момент начала транзакции. Фиксация означает, что все результаты выполнения транзакции становятся постоянными. Они станут видимыми другим транзакциям только после того, как текущая транзакция будет зафиксирована. До этого момента все данные, затрагиваемые транзакцией, будут "видны" пользователю в состоянии на начало текущей транзакции.
Если в процессе выполнения транзакции произошла ошибка, база данных должна быть возвращена в исходное состояние. Откат транзакции - это действие, обеспечивающее аннулирование всех изменений данных, которые были сделаны операторами SQL в теле текущей незавершенной транзакции.
Каждый оператор в транзакции выполняет свою часть работы, но для успешного завершения всей работы в целом требуется безусловное завершение их всех. Группирование операторов в транзакции сообщает СУБД, что вся эта группа должна быть выполнена как единое целое, причем такое выполнение должно поддерживаться автоматически.
В стандарте ANSI/ISO SQL определены модель транзакций и функции операторов COMMIT и ROLLBACK. Стандарт определяет, что транзакция начинается с первого SQL-оператора, инициируемого пользователем или содержащегося в программе. Все последующие SQL-операторы составляют тело транзакции. Транзакция завершается одним из четырех возможных способов:
· оператор COMMIT означает успешное завершение транзакции; его использование делает постоянными изменения, внесенные в базу данных в рамках текущей транзакции;
· оператор ROLLBACK прерывает транзакцию, отменяя изменения, сделанные в базе данных в рамках этой транзакции; новая транзакция начинается непосредственно после использования ROLLBACK;
· успешное завершение программы, в которой была инициирована текущая транзакция, означает успешное завершение транзакции (как будто был использован оператор COMMIT);
· ошибочное завершение программы прерывает транзакцию (как будто был использован оператор ROLLBACK).
Откат и фиксация транзакций становятся возможными благодаря журналу транзакций. Он используется следующим образом.
Известно, что все операции над реляционной базой данных - это операции над строками таблиц. Следовательно, для обеспечения отката таблиц к предыдущим состояниям достаточно хранить не состояния всей таблицы, а лишь те ее строки, которые подверглись изменениям.
При выполнении любого оператора SQL, который модифицирует базу данных, СУБД автоматически заносит очередную запись в журнал транзакций. Запись состоит из двух компонентов: первый - это состояние строки до внесения изменений, второй - ее же состояние после внесения изменений. Только после занесения записи в журнал транзакций (идеология «write ahead log»), СУБД действительно модифицирует базу данных. Если после данного оператора SQL был выполнен оператор COMMIT, то в журнале транзакций делается отметка о завершении текущей транзакции. Если же после оператора SQL следовал оператор ROLLBACK, то СУБД просматривает журнал транзакций и отыскивает записи, отражающие состояние измененных строк до модификации. Используя их, СУБД восстанавливает те строки в таблицах базы данных, которые были модифицированы текущей транзакцией - таким образом аннулируются все изменения в базе данных.
Важные проблемы многопользовательских СУБД связаны с организацией с помощью механизма транзакций одновременного доступа множества пользователей к одним и тем же данным. Они кратко могут быть сформулированы как потеря изменений, незафиксированные изменения и ряд других, более сложных проблем.
Потеря изменений происходит в ситуации, когда две или несколько программ читают одни и те же данные, вносят в них какие-либо изменения и затем пытаются одновременно записать результат по прежнему месту.
Разумеется, в базе данных могут быть сохранены изменения, выполненные только одной программой - другие изменения будут потеряны.
Проблема незафиксированных изменений возникает в случае, когда в процессе выполнения транзакции одной программой в данные были внесены изменения, которые тут же прочитала другая программа, однако затем в первой программе транзакция была прервана оператором ROLLBACK. Получается, что вторая программа прочитала неверные, незафиксированные данные.
Для устранения подобных проблем применяются следующие правила:
1. В процессе выполнения транзакции пользователь (или программа) "видит" только согласованные состояния базы данных. Пользователь (или программа) никогда не может получить доступ к незафиксированным изменениям в данных, достигнутым в результате действий другого пользователя (программы).
2. Если две транзакции, A и B, выполняются параллельно, то СУБД полагает, что результат будет такой же, как если бы:
· транзакция A выполнялась первой, а за ней была выполнена транзакция B;
· транзакция B выполнялась первой, а за ней была выполнена транзакция A.
Это так называемая сериализация транзакций. Фактически она гарантирует, что каждый пользователь (программа), обращающаяся к базе данных, работает с ней так, как будто не существует других пользователей (программ), одновременно с ним обращающихся к тем же данным. Для практической реализации этой дисциплины большинство коммерческих СУБД используют механизм блокировок.
Транзакции могут попасть в тупиковую ситуацию, состояние неразрешимой взаимоблокировки. Для её предотвращения СУБД периодически проверяет блокировки, установленные активными транзакциями. Если СУБД обнаруживает взаимоблокировки, она выбирает одну из транзакций, вызвавшую ситуацию взаимоблокировки, и прерывает ее. Это освобождает данные для внесения изменений конкурирующей транзакцией, разрешая тупиковую ситуацию. Программа, которая инициировала прерванную транзакцию, получает сообщение об ошибке, информирующее ее о причине прерывания (имела место тупиковая ситуация).
Избежать их может и правильная стратегия внесения изменений в базу данных. Одним из наиболее простых и эффективных правил может быть следующее: все программы, которые обновляют одни и те же таблицы, должны, по мере возможности, делать это в одинаковой последовательности.
В современных СУБД предусмотрен так называемый протокол двухфазовой (или двухфазной) фиксации транзакций (two-phase commit). Фаза 1 начинается, когда при обработке транзакции встретился оператор COMMIT. Сервер распределенной БД (или компонент СУБД, отвечающий за обработку распределенных транзакций) направляет уведомление "подготовиться к фиксации" всем серверам локальных БД, выполняющим распределенную транзакцию. Если все серверы приготовились к фиксации (то есть откликнулись на уведомление и отклик был получен), сервер распределенной БД принимает решение о фиксации. Серверы локальных БД остаются в состоянии готовности и ожидают от него команды "зафиксировать". Если хотя бы один из серверов не откликнулся на уведомление в силу каких-либо причин, будь то аппаратная или программная ошибка, то сервер распределенной БД откатывает локальные транзакции на всех узлах, включая даже те, которые подготовились к фиксации и оповестили его об этом.
Фаза 2 - сервер распределенной БД направляет команду "зафиксировать" всем узлам, затронутым транзакцией, и гарантирует, что транзакции на них будут зафиксированы. Если связь с локальной базой данных потеряна в интервал времени между моментом, когда сервер распределенной БД принимает решение о фиксации транзакции и моментом, когда сервер локальной БД подчиняется его команде, то сервер распределенной БД продолжает попытки завершить транзакцию, пока связь не будет восстановлена.
