Транзакции, блокировки, уровни изолированности транзакций в MySQL

С приходом master-master репликаций остро встает вопрос о целостность с достоверностью базы данных.

• Целостность базы данных — соответствие имеющейся в базе данных информации её внутренней логике, структуре и всем явно заданным правилам.

• Достоверность (или истинность) — соответствие фактов, хранящихся в базе данных, реальному миру

При изменении данных, БД переходит от одного состояния к другому, при этом в процессе обновления данных возможны ситуации, когда состояние целостности или достоверности нарушается.

Например:

Прерванный перевод денег со счета на счет, посредством последовательного исполнения двух команд UPDATE, приведет к нарушению целостности:

UPDATE accounts SET money=money-1100 WHERE account="PC1";
UPDATE accounts SET money=money+1100 WHERE account="PC2";

Чтобы избежать подобные ситуации ввели понятие транзакции — атомарного действия над базой, переводящего ее из одного целостного состояния в другое. По сути это последовательность SQL-инструкций, которые должны быть выполнены целиком или отменены.

Механизмы блокировок

Одновременное чтение одним клиентом и запись другим клиентом одной и той же строки таблицы с большой вероятностью приведет к сбою или чтению некорректных данных. Механизмы блокировок позволяют избежать ситуаций одновременного доступа к данным, регламентируя порядок взаимодействия пользователей между собой. Способы реализации механизма блокировок в СУБД различных производителей могут существенно отличаться, однако суть примерно одинаковая:

Если для выполнения некоторой транзакции необходимо, чтобы некоторый объект базы данных не изменялся без ведома этой транзакции, такой объект блокируется.

Основными видами блокировок являются на чтение и на запись:

• Если клиент хочет читать данные, то другие клиенты тоже могут читать данные, но никто не может записывать, пока первый клиент  не закончит чтение (read lock).
• Если клиент  хочет записать данные, то другие клиенты не должны ни читать ни писать эти данные пока первый клиент не закончит (write lock).

Блокировка может быть наложена явно или неявно.

Если клиент не назначает блокировку, MySQL сервер неявно устанавливает необходимый тип блокировки на время выполнения выражения или транзакции. В случае выполнения оператора SELECT сервер установит READ LOCK, а в случае UPDATE — WRITE LOCK.  При неявной блокировке уровень блокировки зависит от типа хранилища данных: для MyISAM, MEMORY и MERGE блокируется вся таблица, для InnoDB — только используемые в выражении строки (в случае, если набор этих строк может быть однозначно определен — иначе, блокируется вся таблица).

Часто возникает необходимость выполнения нескольких запросов подряд без вмешательства других клиентов в это время. Неявная блокировка не подходит для этих целей, так как устанавливается только на время выполнения одного запроса. В этом случае клиент может явно назначить, а потом отменить блокировку с помощью выражений LOCK TABLES и UNLOCK TABLES. Явной блокировка всегда блокирует всю таблицу, независимо от механизма хранения.

Изоляция транзакций

Теоретически СУБД должна обеспечивать полную изоляцию транзакций. На практике существует несколько уровней изоляции при которых в транзакции допускаются несогласованные данные. Более высокий уровень изолированности повышает точность данных, но при этом может снижаться количество параллельно выполняемых транзакций. Более низкий уровень изолированности позволяет выполнять больше параллельных транзакций, но снижает точность данных.

При параллельном выполнении транзакций возможны следующие проблемы:

1) Потерянное обновление (англ. lost update)

При одновременном изменении одного блока данных разными транзакциями, одно из изменений теряется;

Имеются две транзакции, выполняемые одновременно:

UPDATE tbl1 SET f2=f2+20 WHERE f1=1;

UPDATE tbl1 SET f2=f2+25 WHERE f1=1;

В обеих транзакциях изменяется значение поля f2, при этом одно из изменений теряется. Так что, f2 будет увеличено не на 45, а только на 20 или 25.

Причина:

1. Первая транзакция прочитала текущее состояние поля.
2. Вторая транзакция сделала свои изменения, основываясь на своих сохраненных в память данных.
3. Первая делает обновление поля, используя свои «старые» данные.

2) «Грязное» чтение (англ. dirty read)

Чтение данных, добавленных или изменённых транзакцией, которая впоследствии не подтвердится (откатится);

SELECT f2 FROM tbl1 WHERE f1=1;

UPDATE tbl1 SET f2=f2+1 WHERE f1=1;

SELECT f2 FROM tbl1 WHERE f1=1;

ROLLBACK WORK;

В транзакции 1 изменяется значение поля f2, а затем в транзакции 2 выбирается значение этого поля. После этого происходит откат транзакции 1. В результате значение, полученное второй транзакцией, будет отличаться от значения, хранимого в базе данных.

3) Неповторяющееся чтение (англ. non-repeatable read)

При повторном чтении в рамках одной транзакции, ранее прочитанные данные оказываются изменёнными.

Предположим, имеются две транзакции, открытые различными приложениями, в которых выполнены следующие SQL-операторы:

SELECT f2 FROM tbl1 WHERE f1=1;

SELECT f2 FROM tbl1 WHERE f1=1;

UPDATE tbl1 SET f2=f2+1 WHERE f1=1;

COMMIT;

SELECT f2 FROM tbl1 WHERE f1=1;

В транзакции 2 выбирается значение поля f2, затем в транзакции 1 изменяется значение поля f2. При повторной попытке выбора значения из поля f2 в транзакции 2 будет получен другой результат. Эта ситуация особенно неприемлема, когда данные считываются с целью их частичного изменения и обратной записи в базу данных.

4) Фантомное чтение (англ. phantom reads)

Одна транзакция в ходе своего выполнения несколько раз выбирает множество строк по одним и тем же критериям. Другая транзакция в интервалах между этими выборками добавляет или удаляет строки или изменяет столбцы некоторых строк, используемых в критериях выборки первой транзакции, и успешно заканчивается. В результате получится, что одни и те же выборки в первой транзакции дают разные множества строк.

SELECT SUM(f2) FROM tbl1;

INSERT INTO tbl1 (f1,f2) VALUES (15,20);

COMMIT;

SELECT SUM(f2) FROM tbl1;

В транзакции 2 выполняется SQL-оператор, использующий все значения поля f2. Затем в транзакции 1 выполняется вставка новой строки, приводящая к тому, что повторное выполнение SQL-оператора в транзакции 2 выдаст другой результат. Такая ситуация называется фантомным чтением. От неповторяющегося чтения оно отличается тем, что результат повторного обращения к данным изменился не из-за изменения/удаления самих этих данных, а из-за появления новых (фантомных) данных.

Уровни изоляции

Serializable (упорядочиваемость)

Самый высокий уровень изолированности. Транзакции полностью изолируются друг от друга. Только на этом уровне параллельные транзакции не подвержены эффекту «фантомного чтения».

Repeatable read (повторяемость чтения)

Уровень, при котором чтение одной и той же строки или строк в транзакции дает одинаковый результат. (Пока транзакция не завершена, никакие другие транзакции не могут модифицировать эти данные.)

Read committed (чтение фиксированных данных)

Завершенное чтение, при котором отсутствует черновое, «грязное» чтение (то есть чтение одним пользователем данных, которые не были зафиксированы в БД командой COMMIT). Тем не менее в процессе работы одной транзакции другая может быть успешно завершена и сделанные ею изменения зафиксированы. В итоге первая транзакция будет работать с другим набором данных. Это проблема неповторяемого чтения.

Read uncommitted (чтение незафиксированных данных)

Низший уровень изоляции, соответствующий нулевому уровню. Он гарантирует только отсутствие потерянных обновлений. Если несколько транзакций одновременно пытались изменять одну и ту же строку, то в окончательном варианте строка будет иметь значение, определенное последней успешно выполненной транзакцией.

Поведение при различных уровнях изолированности

Источники:

http://www.mstu.edu.ru/study/materials/zelenkov/ch_4_9.html
http://ru.wikipedia.org/wiki/Уровень_изолированности_транзакций
http://www.nestor.minsk.by/kg/2003/50/kg35010.html