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關聯式資料庫中的 ACID

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前言

在關聯式資料庫中，我們肯定會在資料異動的時候使用 Transaction 來確保資料的正確性，透過 ACID 的特性，才得以讓關聯式資料庫有如此穩定的操作，避免種種的問題發生。

本篇文章將會詳細介紹 ACID 的特性，並且分析每個特性的原理和解決方式。

定義

ACID 是由 Atomicity、Consistency、Isolation、Durability 四個特性所構成的，其中主要應用於 RDBMS 執行 Transaction 的過程。

Atomicity 原子性

每筆 Transaction 內都會包含 至少一筆操作，該特性會確保 Transaction 內這些操作不是 全部成功，就是 全部失敗。

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舉例來說

假設 Alice 要透過網路銀行轉帳 100 元給 Bob，執行時必須確保 Alice 有確實扣款，而 Bob 有實際收款，那麼 Atomicity 就可以完美的確保執行操作的時候不會漏掉任何一方。

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以 MySQL 為例，在執行的時候，把需要執行的語句放在 START TRANSACTION 和 COMMIT 中，就可以確保這些操作有原子性。

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# 開啟 TRANSACTION
START TRANSACTION;

SELECT @A := money FROM account WHERE name = "Alice" LIMIT 1;

IF (@A - 100) > 0 THEN
    UPDATE account SET money = (@A - 100) WHERE name = "Alice";
    SELECT @B:=money FROM account WHERE name = "Bob" LIMIT 1;
    UPDATE account SET money = (@B + 100) WHERE name = "Bob";
    INSERT INTO log(from, to, type, amount) VALUES("Alice", "Bob", "transfer", 100);
END IF;

# 結束 TRANSACTION，確認操作成功
COMMIT;

Undo Log

InnoDB engine 用來執行 rollback 的一個 log，主要實現了 原子性 的功能，每當 Transaction 中有任何一筆操作 (新增、更新、刪除)，就會將需要 rollback 的資訊記錄到 undo log 內，一旦發生了 rollback，就會讀取 undo log 的資料，並執行與原先相反的操作來還原原本資料。

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Consistency 一致性

在 Transaction 的改動中，資料的異動必須 滿足 constraint (Primary Key、Foreign Key、Unique Key)，確保資料始終處於一致的狀態，若是沒有遵守這些約束，該 Transaction 就會被認作失敗並 rollback。

Isolation 隔離性

隔離性主要是為了避免 同時好幾個 Transaction 操作相同的表或資料，所導致產生 Race Condition 的情況發生，可能產生的情況有 髒讀（dirty read）、不可重複讀（non-repeatable read）、幻讀（phantom read）。

髒讀 Dirty Read

例子

如果現在有兩筆 Transaction 正要讀取同筆資料的餘額，一旦 Transaction A 更新完的資料 $200 被 Transaction B 所讀取，但最後 Transaction A Rollback 讓餘額回復到 $100，Transaction B 手上拿到的卻是過期的資料 $200，稱之為 髒讀。

解決方式

將資料庫隔離級別設定為 Read Commited，這樣在 Transaction B 讀取的時候就必須等待 Transaction A 將該筆資料 Commit 才有辦法完成讀取。

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不可重複讀 Non-repeatable Read

例子

當 Transaction A 第一次讀取資料 $100 被 Transaction B 所更新，最後 Transaction A 再度讀取資料 $200，Transaction A 兩次讀取的資料都不相同，稱之為 不可重複讀。

解決方式

將資料庫隔離級別設定為 Repeatable Read (MySQL 預設隔離機制)，設定後 MySQL 會先去 鎖定要讀取的**該行**，直到 Transaction A 完成後才會讓 Transaction B 進行更新。

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幻讀 Phantom Read

例子

當 Transaction A 第一次讀取使用者人數 (500 人) 後被 Transaction B 所新增 700 人，最後 Transaction A 再度讀取人數發現變成 1200 人，Transaction A 兩次讀取的資料數量都不相同，稱之為 幻讀。

幻讀 與 不可重複讀 的差別是，幻讀是針對 新增或刪除 的操作所產生的 整體改動，不可重複讀則是針對 更新 某幾行資料所產生的 局部改動。

解決方式

將資料庫隔離級別設定為 Serializable，設定後 MySQL 會先去 鎖定要讀取的**整張表**，直到 Transaction A 完成後才會讓 Transaction B 進行更新。

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以下是 資料庫的隔離級別 對應可以 避免 Race Condition 的問題：

Dirty Read Non-repeatable Read Phantom Read
Read Uncommitted O O O
Read Committed X O O
Repeatable Read X X O
Serializable X X X

一般來說，不會特意去使用 Serializable 鎖定 整張表 來避免 幻讀 (效能太差了)，大多數都是使用 Read Committed 和 Repeatable Read 作為其隔離的級別。

Durability 持久性

當 Transaction 被 Commit 過後，資料可有永久儲存於硬碟之中，除非硬碟損毀。

Redo log

redo log 是一個實體 log，用來記錄那些資料 Page 進行什麼樣的修改，只要每次 Transaction 被 Commit 過後，就會產生一或多筆 log 紀錄，這樣就算是執行完成了，之後後台的 thread 會將 Buffer Pool 的 資料 Page 更新至硬碟中。

這也就是所謂的 WAL (Write-Ahead Logging) 技術，將 操作先寫於 log 中，並且 等待合適的時間再將資料修改至硬碟。

這樣一來，如果我們在完成一筆 Transaction 後系統突然當機，MySQL 還是可以透過 redo log 的紀錄，將更改的資料寫入硬碟。

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結論

透過詳細介紹 ACID 的特性後，可以發現 RDBMS 與 NoSQL 所發展的特性不太相同，強調資料的 一致性 與 持久性，根據 適當的業務場景 採用適合的資料庫才是最佳選擇，而不是因為 NoSQL 擁有高效的分散式處理能力，就盲目的去使用它。

參考資料

  • https://xiaolincoding.com/mysql/log/how_update.html
  • https://xiaolincoding.com/mysql/transaction/mvcc.html
  • https://cloud.tencent.com/developer/article/1450773
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