Транзакции. Свойства ACID транзакций. Управление восстановлением. Алгоритм ARIES. Двухфазная фиксация.

Транзакция — группа последовательных операций, 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.

Одним из наиболее распространённых наборов требований к транзакциям и транзакционным системам является набор ACID. ACID - атомарность, согласованность, изолированность, долговечность - описывает требования к транзакционной системе (например, к СУБД), обеспечивающие наиболее надёжную и предсказуемую её работу.

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. В соответствии с требованием согласованности, система находится в согласованном состоянии до начала транзакции и должна остаться в согласованном состоянии после завершения транзакции.

Требование долговечности: 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.

Требование изолированности: во время выполнения транзакции другие процессы не должны видеть данные в промежуточном состоянии. Например, если транзакция изменяет сразу несколько полей в базе данных, то другой запрос, выполненный во время выполнения транзакции, не должен вернуть одни из этих полей с новыми значениями, а другие с исходными.

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 Uncommited, Dirty Read, грязное чтение) — чтение незафиксированных изменений своей транзакции и конкурирующих транзакций, возможны нечистые, неповторяемые чтения и фантомы

§ 1 — Подтверждённое чтение (Read Commited) — чтение всех изменений своей транзакции и зафиксированных изменений конкурирующих транзакций, нечистые чтения невозможны, возможны неповторяемые чтения и фантомы

§ 2 — Повторяемое чтение (Repeatable Read ,Snapshot) — чтение всех изменений своей транзакции, любые изменения, внесённые конкурирующими 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 транзакции, 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.

Полноценная реализация уровней изоляции и свойств ACID представляет собой нетривиальную задачу. Обработка поступающих данных приводит к большому количеству мелких 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 СУБД 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) и механизм теневых страниц (shadow paging). В обоих случаях, блокировки должны быть расставлены на всю информацию, которая обновляется.

При упреждающей журнализации, 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.

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 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.

Семейство алгоритмов ARIES содержит алгоритмы восстановления систем, в которых поддерживается понятие транзакции. В настоящее время алгоритмы этого семейства являются крайне популярными и используются в целом ряде продуктов крупнейших производителей программного обеспечения. Так, например, ARIES используется в СУБД IBM DB2, Starburst и Lotus Domino/Notes. Из продуктов других компаний можно назвать Microsoft SQL Server и файловую систему NTFS.

Каждый из алгоритмов ARIES представляет собой собрание множества небольших подалгоритмов, которые сравнительно легко понять и реализовать. Помимо этого, алгоритмы этого семейства отличаются сильной "ветвистостью", то есть рассматриваются различные способы реализации того или иного эффекта, в зависимости от выбранных способов журнализации, буферизации, структур данных и так далее.

Чтобы обеспечить возможность восстановления данных в случае сбоя, ARIES предусматривает запись в журнал данных обо всех производимых транзакциями те действиях, которые могут изменить состояние базы данных. Журнал становится источником информации, необходимой для определения корректности завершения работы транзакций при разнообразных сбоях, а также при восстановлении поврежденных или потерянных данных. В ARIES используется широко известный метод упреждающей журнализации (WAL). При использовании этого способа ведения журнала записи о некоторой операции над базой данных попадают на энергонезависимый носитель раньше, чем в базу вносятся изменения, произведенные этой операцией.

Восстановление в ARIES основывается на механизме контрольных точек. Контрольные точки нужны для того, чтобы уменьшить тот объем журнала, который нужно будет обработать при восстановлении. Во многих СУБД при установке контрольной точки существенно изменялся режим работы системы. Например, для этого временно прекращалась инициация новых транзакций, система дожидалась завершения работы всех операций всех транзакций и выводила буфера основной памяти на диск.

Это очень дорогой способ создания контрольных точек. Ведь система фактически становится недоступной для пользователей на существенный промежуток времени. В ARIES контрольные точки устанавливаются асинхронно, не приостанавливая работу СУБД. Более того, установка контрольной точки не требует сброса буферов памяти.

Процесс восстановления в разных системах схож. Сначала проходит стадия анализа, во время которой на основе журнальной информации собираются сведения, необходимые для восстановления. В основном эта работа связана с определением тех транзакций, действия которых необходимо повторить, и тех, действия которых нужно отменить. После этого следуют стадии повторения и отмены. Обычно во время повторения в базу данных вносятся все изменения, которые были внесены в нее транзакциями, успевшими к моменту сбоя завершиться, а отмена соответственно заключается в том, чтобы отменить действия, совершенные транзакциями, нуждающимися в откате. В ARIES имеется некоторое отличие от этой схемы, а именно то, что на стадии повторения ARIES повторяет все действия, которые были отражены в журнале к моменту сбоя. То есть после этой стадии база данных находится в том же состоянии, в каком она была во время сбоя. После этого уже происходит откат всех незавершенных транзакций.

В распределенных системах фиксация транзакций может потребовать взаимодействия нескольких процессов на разных машинах, каждая из которых хранит некоторые переменные, файлы, базы данных. Для достижения свойства неделимости транзакций в распределенных системах используется специальный протокол, называемый протоколом двухфазной фиксации транзакций. Хотя он и не является единственным протоколом такого рода, но он наиболее широко используется.

Суть этого протокола состоит в следующем. Один из процессов выполняет функции координатора. Координатор начинает транзакцию, делая запись об этом в своем журнале регистрации, затем он посылает всем подчиненным процессам, также выполняющим эту транзакцию, сообщение "подготовиться к фиксации". Когда подчиненные процессы получают это сообщение, то они проверяют, готовы ли они к фиксации, делают запись в своем журнале и посылают координатору сообщение-ответ "готов к фиксации". После этого подчиненные процессы остаются в состоянии готовности и ждут от координатора команду фиксации. Если хотя бы один из подчиненных процессов не откликнулся, то координатор откатывает подчиненные транзакции, включая и те, которые подготовились к фиксации.

Выполнение второй фазы заключается в том, что координатор посылает команду "фиксировать" (commit) всем подчиненным процессам. Выполняя эту команду, последние фиксируют изменения и завершают подчиненные транзакции. В результате гарантируется одновременное синхронное завершение (удачное или неудачное) распределенной транзакции.