分離（データベース システム）

データベースシステムでは、分離性はACID（原子性、一貫性、独立性、永続性）トランザクション特性の1つです。トランザクションの整合性が他のユーザーやシステムにどのように見えるかを決定します。分離レベルが低いほど、多くのユーザーが同時に同じデータにアクセスできる可能性が高くなりますが、ユーザーが遭遇する可能性のある同時実行の影響（ダーティリードや更新の損失など）の数も増えます。逆に、分離レベルが高いほど、ユーザーが遭遇する可能性のある同時実行の影響の種類は減りますが、より多くのシステムリソースが必要になり、1つのトランザクションが別のトランザクションをブロックする可能性が高くなります。^[1]

同時実行制御は、DBMSの基盤となるメカニズムで構成され、分離を処理し、関連する正確性を保証します。同時実行制御は、同時実行トランザクションの正しい実行と (さまざまなメカニズムを介して) 他の DBMS プロセスの正確性を保証するために、データベース エンジンとストレージ エンジンによって頻繁に使用されます。トランザクション関連のメカニズムは通常、データベース データ アクセス操作のタイミング (トランザクション スケジュール) を、シリアル化可能性と回復可能性のスケジュール プロパティとして特徴付けられる特定の順序に制限します。データベース アクセス操作の実行を制限すると、通常、パフォーマンス (実行速度で測定) が低下するため、同時実行制御メカニズムは通常、制約の下で可能な限り最高のパフォーマンスを提供するように設計されています。多くの場合、正確性を損なわずに可能な場合は、シリアル化可能性プロパティが妥協されてパフォーマンスが向上します。ただし、回復可能性は妥協できません。これは、通常、データベース整合性違反につながるためです。

2 フェーズ ロックは、DBMS で最も一般的なトランザクション同時実行制御方法で、シリアル化可能性と正確性のための回復可能性の両方を提供するために使用されます。データベース オブジェクトにアクセスするには、トランザクションはまずこのオブジェクトのロックを取得する必要があります。アクセス操作の種類 (オブジェクトの読み取りまたは書き込みなど) とロックの種類によっては、別のトランザクションがそのオブジェクトのロックを保持している場合、ロックの取得がブロックされ、延期されることがあります。

分離は通常、データベース レベルで実施されます。ただし、さまざまなクライアント側システムも使用できます。分離は、アプリケーション フレームワークまたはJ2EE エンティティ Beanなどのランタイム コンテナーで制御できます^[2]古いシステムでは、一時テーブルの使用などを通じて、(アプリケーション開発者によって) 体系的に実装される場合があります。^{[検証失敗]} 2 層、3 層、またはn 層のWeb アプリケーションでは、トランザクション マネージャーを使用して分離を維持できます。トランザクション マネージャーは、アプリケーション サービス (バックエンド アプリケーション サービス) とオペレーティング システムの間に位置するミドルウェアです。トランザクション マネージャーは、グローバルな分離とアトミック性を提供できます。トランザクションに新しいサーバーが参加すると、それを追跡し、サーバー間のアトミック コミット プロトコルを調整します。詳細はアプリケーションから抽象化されるため、トランザクションはより単純になり、コーディングが容易になります。トランザクション処理モニター(TPM) は、トランザクション マネージャーを含むミドルウェアのコレクションです。TPM は、ロック マネージャーを使用してアプリケーションにローカル分離を提供する場合があります^[2]

ANSI/ISO 標準 SQL 92 では、トランザクションが別のトランザクションによって更新された可能性のあるデータを取得するときに発生する 3 つの異なる読み取り現象について言及しています。

次の例では、2 つのトランザクションが実行されます。トランザクション 1 ではクエリが実行され、次にトランザクション 2 では更新が実行され、最後にトランザクション 1 で同じクエリが再度実行されます。

例では次の関係を使用します。

ダーティリード(別名、コミットされていない依存関係) は、トランザクションが、まだコミットされていない別のトランザクションによって更新された行を取得するときに発生します。

この例では、トランザクション 1 が ID 1 の行を取得し、次にトランザクション 2 が ID 1 の行を更新し、最後にトランザクション 1 が ID 1 の行を再度取得します。ここで、トランザクション 2 が更新 (トランザクション 1 によって既に取得済み) をロールバックするか、他の更新を実行すると、トランザクション 1 の行のビューが間違っている可能性があります。READ UNCOMMITTED 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT によって更新された行が取得されます。これはダーティ リードです。READ COMMITTED、REPEATABLE READ、および SERIALIZABLE 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT によって最初の行が取得されます。

非反復読み取りは、トランザクションが行を 2 回取得し、その間にコミットされた別のトランザクションによってその行が更新された場合に発生します。

この例では、トランザクション 1 が ID 1 の行を取得し、次にトランザクション 2 が ID 1 の行を更新してコミットし、最後にトランザクション 1 が ID 1 の行を再度取得します。READ UNCOMMITTED および READ COMMITTED 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT は更新された行を取得します。これは繰り返し不可能な読み取りです。REPEATABLE READ および SERIALIZABLE 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT は最初の行を取得します。

ファントムリードは、トランザクションが行セットを 2 回取得し、その間にコミットされた別のトランザクションによってそのセットに新しい行が挿入されるか、そのセットから新しい行が削除されるときに発生します。

この例では、トランザクション 1 は age が 17 より大きい行セットを取得し、次にトランザクション 2 は age が 26 の行を挿入してコミットし、最後にトランザクション 1 は age が 17 より大きい行セットを再度取得します。READ UNCOMMITTED、READ COMMITTED、および REPEATABLE READ 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT は、挿入された行を含む新しい行セットを取得します。これはファントム リードです。SERIALIZABLE 分離レベルでは、トランザクション 1 の 2 番目の SELECT は、最初の行セットを取得します。

非反復読み取りとファントム読み取りを防止するために使用される基本的な戦略は 2 つあります。最初の戦略であるロック ベースの同時実行制御では、トランザクション 2 はトランザクション 1 がコミットまたはロールバックされた後にコミットされます。これにより、シリアルスケジュール T1、T2 が生成されます。もう 1 つの戦略であるマルチバージョン同時実行制御では、トランザクション 2 は、トランザクション 2 より前に開始されたトランザクション 1 がトランザクション 1 の開始時に取得されたデータベースの古いスナップショットで引き続き操作されている間に、即時にコミットされます。トランザクション 1 が最終的にコミットを試行するときに、コミットの結果がシリアル スケジュールT1、T2と同等であれば、トランザクション 1 がコミットされます。それ以外の場合は、コミットの競合が発生し、トランザクション 1 はシリアル化の失敗とともにロールバックされます。

ロックベースの同時実行制御では、SELECT の実行時に読み取りロックが取得されない場合、または影響を受ける行に対して取得されたロックが SELECT の実行後すぐに解放される場合、非反復読み取りとファントム読み取りが発生する可能性があります。マルチバージョン同時実行制御では、コミット競合の影響を受けるトランザクションをロールバックする必要があるという要件が緩和されている場合、非反復読み取りとファントム読み取りが発生する可能性があります。

DBMS (データベース管理システム)の4 つのACIDプロパティのうち、分離プロパティは最も頻繁に緩和されます。最高レベルの分離を維持しようとすると、DBMS は通常、同時実行性が失われる可能性のあるデータのロックを取得するか、マルチバージョン同時実行制御を実装します。これには、アプリケーションが正しく機能する ためのロジックを追加する必要があります。

ほとんどの DBMS は、データを選択するときに発生するロックの程度を制御する、いくつかのトランザクション分離レベルを提供しています。多くのデータベース アプリケーションでは、データベース トランザクションの大部分は、高い分離レベル (SERIALIZABLE レベルなど) を必要としないように構築できるため、システムのロック オーバーヘッドが削減されます。プログラマーは、データベース アクセス コードを注意深く分析して、分離レベルを緩めても見つけにくいソフトウェア バグが発生しないようにする必要があります。逆に、高い分離レベルを使用すると、デッドロックの可能性が高まり、これを回避するには慎重な分析とプログラミング テクニックも必要になります。

各分離レベルは下位の分離レベルよりも強力であり、上位の分離レベルでは下位の分離レベルで禁止されているアクションが許可されないため、標準では DBMS が要求された分離レベルよりも強力な分離レベルでトランザクションを実行することが許可されます (たとえば、「コミットされた読み取り」トランザクションは、実際には「反復可能な読み取り」分離レベルで実行される場合があります)。

ANSI / ISO SQL標準で定義されている分離レベルは次のとおりです。

これは最高の分離レベルです。

ロックベースの同時実行制御DBMS 実装では、シリアル化には、トランザクションの終了時に (選択されたデータに対して取得された) 読み取りロックと書き込みロックを解放する必要があります。また、SELECTクエリで範囲指定のWHERE句を使用する場合は、特にファントム読み取り現象を回避するために、範囲ロックを取得する必要があります。

ロックベースでない同時実行制御を使用する場合、ロックは取得されません。ただし、システムが複数の同時トランザクション間で書き込み衝突を検出した場合、コミットできるのはそのうちの 1 つだけです。このトピックの詳細については、 スナップショット分離を参照してください。

出典: (第 2 次非公式レビュー草案) ISO/IEC 9075:1992、データベース言語 SQL - 1992 年 7 月 30 日: 分離レベル SERIALIZABLE での同時 SQL トランザクションの実行は、シリアル化可能であることが保証されます。シリアル化可能な実行とは、同時に実行中の SQL トランザクションの操作の実行であり、同じ SQL トランザクションのシリアル実行と同じ効果を生み出すものと定義されます。シリアル実行とは、各 SQL トランザクションが完了するまで実行されず、次の SQL トランザクションが開始されない実行です。

この分離レベルでは、ロックベースの同時実行制御DBMS 実装により、トランザクションの終了まで読み取りロックと書き込みロック (選択されたデータに対して取得) が保持されます。ただし、範囲ロックは管理されないため、ファントム読み取りが発生する可能性があります。

一部のシステムでは、この分離レベルで書き込みスキューが発生する可能性があります。書き込みスキューとは、2 人の異なる書き込み者 (更新する列を以前に読み取ったことがある) によってテーブル内の同じ列に 2 つの書き込みが許可され、その結果、列に 2 つのトランザクションが混在したデータが含まれる現象です。^{[3] [4]}

この分離レベルでは、ロックベースの同時実行制御DBMS 実装により、トランザクションの終了まで書き込みロック (選択されたデータに対して取得) が保持されますが、読み取りロックはSELECT操作が実行されるとすぐに解放されます (そのため、この分離レベルでは非反復読み取り現象が発生する可能性があります)。前のレベルと同様に、範囲ロックは管理されません。

簡単に言えば、読み取りコミットとは、読み取られたデータが読み取られた瞬間にコミットされることを保証する分離レベルです。これは、読み取り側が、コミットされていない中間の「ダーティ」読み取りを参照できないように制限するだけです。トランザクションが読み取りを再発行した場合に、同じデータが見つかるという保証はまったくありません。データは、読み取られた後に自由に変更できます。

これは最も低い分離レベルです。このレベルではダーティ リードが許可されるため、あるトランザクションは他のトランザクションによって行われたまだコミットされていない変更を参照する場合があります。

デフォルトの分離レベルは、 DBMSによって大きく異なります。トランザクション機能を備えたほとんどのデータベースでは、ユーザーが任意の分離レベルを設定できます。一部の DBMS では、ロックを取得するために SELECT ステートメントを実行するときに追加の構文も必要です (例:アクセスされた行に排他書き込みロックを取得するには、 SELECT … FOR UPDATE を使用します)。

しかし、上記の定義は曖昧であり、多くのデータベースによって提供される分離を正確に反映していないと批判されています。

この論文では、分離レベルを定義するための異常なアプローチの弱点をいくつか示しています。3 つの ANSI 現象は曖昧であり、最も緩い解釈でさえも、一部の異常な動作を排除するものではありません。このため、直感に反する結果が生じます。特に、ロックベースの分離レベルは、ANSI の同等の分離レベルとは異なる特性を持っています。商用データベース システムでは通常、ロック実装が使用されるため、これは困惑させられます。さらに、ANSI 現象は、商用システムで一般的な分離レベルの動作のいくつかの型を区別しません。^[5]

ANSI SQL の分離定義に関しては、実装者に「悪いこと」を奨励するという批判もあります。

...それは、楽観的またはマルチバージョン同時実行スキームとは対照的に、ロックスキームが同時実行制御に使用されるという仮定に微妙に依存しています。これは、提案されたセマンティクスが明確に定義されていないことを意味します。^[6]

異常シリアル化可能はシリアル化可能と同じではありません。つまり、シリアル化可能なスケジュールが3つの現象タイプすべてを含まないことが必要ですが、それだけでは十分ではありません。^[5]

• 原子性
• 一貫性
• 耐久性
• ロック（データベース）
• 楽観的同時実行制御
• リレーショナルデータベース管理システム
• スナップショット分離

• Oracle® データベース概念、第 13 章 データの同時実行性と一貫性、回避可能な現象、トランザクション分離レベル
• Oracle® Database SQL リファレンス、第 19 章 SQL 文: SAVEPOINT から UPDATE、SET TRANSACTION
• JDBCの場合: 接続定数フィールド、Connection.getTransactionIsolation()、Connection.setTransactionIsolation(int)
• Spring Frameworkの場合: @Transactional、Isolation
• P.Bailis。「ACID」がACIDになるのはいつですか？まれに