第七章節 - 事務：學習要點

[0x171-0]

• ACID 事務原則

  • Atomicity (原子性、不可分割)：交易內的 SQL 指令，不管在任何情況，都只能是全部執行完成，或全部不執行。
  • Consistency (一致性)： 交易完成後，必須維持資料的完整性。所有資料必須符合預設的驗證規則、外鍵(Foreign Key)、副作用限制...等。
  • Isolation (隔離性)： 多個交易可獨立、同時，不互擾。 沒有隔離性會置併發問題。
  • Durability (持久性)： 交易完成後，異動結果須完整的保留。

• 各種隔離層級，常見的有

  • Read Uncomited
  • Read Commited
  • Read Repeatable
  • Serialize

• 各式各樣若隔離層級會造成的問題

  • dirty read
  • 幻讀
  • dirty write
  • lost update
  • 寫入偏差
  • 讀取偏差/不可重複讀

• What is predicate lock

  • 鎖定條件：鎖定搜尋條件相匹配的，為查詢條件上鎖，只要兩事務 搜尋條件相匹配 ，就可以互相排斥。
  • 可以鎖定尚不存在的：謂詞鎖甚至適用於數據庫中尚不存在，但將來可能會添加的對象（幻象）
  • 實現串行
  • 效能不佳
  • 解法：index-range locking 範圍索引鎖定

• What is 2PL?

  • 分成上鎖、解鎖兩階段
  • 只要操作有牽涉到寫就要上鎖
  • 實現串行

• 2 種鎖的模式

  • Share mode
  • Exclusive mode

• 鎖定的過程

  • 讀取：獲取共享鎖
  • 寫入：共享鎖升級成獨佔鎖
  • 完成：釋放所有的鎖

• 實現串行隔離的方法

  • 2PL
  • serializable snapshot isolation
  • 真正的串行執行

• What is SSI?

  • 快照隔離＋自動衝突檢測
  • 讀寫不相互阻塞
  • 實現串行隔離
  • 注意不能有慢事務，某則會提高終止率

• What is Muilti-version concurrency control?

  • 保留對象的多個版本
  • Read Commited 為每個事務操作新增快照，但是只保留兩個版本（提交前後）
  • 快照隔離為整個事務新增快照，利用事務 Id 標註操作，變成多個版本

• What is 顯示鎖定？

  • Select for update

• What is 原子寫

  • 讀取、修改、寫入濃縮成一句

• what is materializing conflicts?

  • 在數據庫引入可以被鎖定的對象

• What is deadock?

  • 兩個事務相互等待鎖定，形成死循環

[kylemocode]

• Transaction 的存在是為了簡化應用層的邏輯，使開發者不用考慮每一行 SQL 語句如果出錯要如何 rollback，如果併發會產生什麼問題
• SSI 是一個相當新的演算法，避免了先前方法的大部分缺點。它使用樂觀的方法，允許事務執行而無需阻塞。當一個事務想要提交時，它會進行檢查，如果執行不可序列化，事務就會被中止。

[AK4codee]

ACID

• 原子性: 系統只能處於操作之前或操作之後的狀態，而不是介於兩者之間的狀態
• 一致性: 不管是事物開始前或事務結束後，都應滿足不變式(對資料的「約束」)
• 隔離性: 每個事務可以假裝它是唯一在整個資料庫上執行的事務
• 永續性: 一旦事務成功完成，即使發生硬體故障或資料庫崩潰，寫入的任何資料也不會丟失

弱隔離級別

讀己提交

• 從資料庫讀時，只能看到已提交的資料（沒有 髒讀，即 dirty reads）
• 寫入資料庫時，只會覆蓋已經寫入的資料（沒有 髒寫，即 dirty writes）

資料庫透過使用 行鎖（row-level lock） 來防止髒寫：當事務想要修改特定物件（行或文件）時，它必須首先獲得該物件的鎖。然後必須持有該鎖直到事務被提交或中止。一次只有一個事務可持有任何給定物件的鎖；如果另一個事務要寫入同一個物件，則必須等到第一個事務提交或中止後，才能獲取該鎖並繼續。

[jxiu0129]

• 弱隔離級別
  • 讀己提交
  • 沒有髒讀、沒有髒寫
  • 快照(snapshot)隔離
• 可序列化
  • 寫入偏斜與幻讀
• 兩階段鎖
  • 樂觀、悲觀

[Parkerhiphop]

1. Transaction 是一個抽象層，允許應用程式假裝某些 Concurrency 問題和某些型別的硬體和軟體故障不存在。
2. Concurrency Transaction 的 Weak & Strong Isolation Level： Read Committed & Snapshot Isolation / Serializable
3. Serielizable 的三種實作：Actual Serial Execution, Two-Phase Lock, Serializable Snapshot Isolation (SSI)

[at7211]

• we shouldn’t take them(transaction) for granted, cause the database takes care of them instead (we call these safety guarantees).
• 理論上資料庫的更動都希望能保證 ACID
  • Atomicity
    • 就把一組動作包裝成一個單位(transaction)，裡面一個行為錯了就全部動作不算，反之就是成功(all or none)
  • Consistency
    • 資料保持某種一致性或正確性
  • Isolation
    • transaction 之間的隔離
    • 資料庫的 isolation levels → 4 個 level 都不允許 dirty writes
      • serializable 最穩，但其實就是我在寫入的時候其他人排隊（連 read 也不行），所以效能爛
      • repeatable read
      • read committed
      • read uncommited
  • Durability
    • 資料要寫到 stable storage 才算成功
• In practice, there is no one technique that can provide absolute guarantees. → 沒有任何情況可以保證資料不會遺失，尤其在 concurrency 的狀態下常會造成資料無法達成 consistency
• 必要的時候可以在 connection 改變 isolation level，或是在某個 query 指定要拿 lock => SELECT ... FOR SHARE (shared lock) => SELECT ... FOR UPDATE (exclusive lock)
• Most commonly, many database prevent dirty writes by using row-level locks.

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Serializable Isolation 有三種實作方式：

• Serial Order：真正的照順序 (serially) 進行資料讀寫，避免所有同時執行更新可能造成的衝突。缺點是犧牲了所有 Concurrency，效能差，適合讀寫較快速的 In-Memory 資料庫採用，例如 Redis。
• Two-phase Lock：使用 Shared Lock 和 Exclusive Lock 的搭配，讓每一筆資料在同一時間最多都只會有一個 Transaction 對它進行讀取和更新。另外還要搭配 Range Lock 來避免 Phantom 現象。大部分的資料庫都採用這種實作。
• Serializable Snapshot Isolation (SSI)：與其他實作不同的是，SSI 採用Optimistic Concurrency Control，樂觀的認為發生衝突現象的機率其實很小，所以，與其對資料做 Shared/Exclusive Lock 讓 Transaction 互相 Block，不如讓所有 Transaction 都正常執行，在最後的 Commit 階段再做檢查，看是否有違反 Isolation 規則的衝突發生。因此 SSI 對效能的影響很小，但是因為它在 2008 年才被提出，目前大部分的資料庫實作都還沒有採用。PostgreSQL 從 9.1 之後才開始採用。

REF

[samwu4166]

ACID

不符合 ACID 標準的系統有時被稱為 BASE，它代表 基本可用性（Basically Available），軟狀態（Soft State） 和 最終一致性（Eventual consistency）。

• Atomicity: 能夠在錯誤時中止事務，丟棄該事務進行的所有寫入變更的能力 (abortability) -> 有或無, 沒有一半 “寧為玉碎，不為瓦全（all-or-nothing）”
• Consistency: 應用可能依賴資料庫的原子性和隔離屬性來實現一致性，但這並不僅取決於資料庫
• Isolation: 同時執行的事務是相互隔離的，它們不能相互冒犯避免併發造成的 race condition
  • 實踐中比較少用到可序列化隔離 (效能損失)，Oracle 使用的是快照隔離 (比可序列更弱的保證
• Durability: 為了提供永續性保證，資料庫必須等到這些寫入或複製完成後，才能報告事務成功提交。(But 不是永遠可靠的)

髒讀 - 一個事務讀取另一個事務的未被執行的寫入 在關係型資料庫中，通常基於客戶端與資料庫伺服器的 TCP 連線：在任何特定連線上，BEGIN TRANSACTION 和 COMMIT 語句之間的所有內容，被認為是同一事務的一部分。

沒有原子性，錯誤處理就要複雜得多，缺乏隔離性，就會導致併發問題

物件關係對映（ORM, object-relation Mapping） 框架不會重試中斷的事務 —— 這個錯誤通常會導致一個從堆疊向上傳播的異常，所以任何使用者輸入都會被丟棄，使用者拿到一個錯誤資訊。

[JimmyFUFU]

• ACID

  • A: Atomicity 把整個 transaction 視為一個原子，是一個不可分割的邏輯單位。
  • C: Consistency 資料庫從一個有效狀態經過交易之後變成另一個有效狀態
  • I: Isolation transaction過程中不能被其他其他transaction影響
  • D: Durability 一旦資料修改完成，變永續存在，就算系統發生故障也不應該毀損。

• 可能產生的錯誤

  • 髒讀 Dirty Read
  • 髒寫 Dirty Write
  • 讀取偏差（不可重複讀 Non-repeatable read
  • 更新丟失
  • 寫偏差
  • 幻讀 Phantom Read

• 隔離層級

  • Read Uncommitted 最低，只能防止 Dirty Write
  • Read committed 可防止 Dirty Read
  • Serializable 可序列化

[Jay0328]

Transaction

ACID

• Atomicity，所有 operations 會一起 success / failure
• Consistency，對資料的一組 constraint 始終成立
• Isolation，parallel transactions isolated
• Durability，資料寫到 stable storage(disk) 才算成功

Isolation Level

• Read Uncommitted
• Read Committed
• Repeatable Read
• Serializable

Issues

• Dirty Read
• Dirty Write
• Read Skew (Non Repeatable Read)
• Lost Update
• Write Skew
• Phantom Read

source

Serializable 3 Implementation Methods

• Serially，Really serially
  • 設計用於單執行緒執行的系統有時可以比支援併發的系統更好，因為它可以避免鎖的協調開銷
  • cons
  • concurrency ↓，
• 2PL，two-phase locking
  • pessimistic
  • shared lock， SELECT ... FOR SHARE
  • exclusive lock， SELECT ... FOR UPDATE
• SSI，serializable snapshot isolation
  • optimistic
  • 樂觀的認為無需 block 任何 transaction ，當 transaction commit 時再進行檢查是否有違反 isolation 的衝突發生