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深入理解資料庫事務：確保資料完整性與一致性

2023-08-22 06:01:23

前言

在現代資訊系統中，資料是至關重要的資產之一。作為一名後端開發人員，與資料庫的交道必不可少，為了確保資料的完整性、一致性和可靠性，資料庫引入了事務的概念。本次將帶您深入瞭解資料庫事務的重要性、特性以及如何在應用程式中正確地使用事務來維護資料的穩定性。

什麼是資料庫事務？

資料庫事務是一組資料庫操作的集合，這些操作要麼全部成功執行，要麼全部失敗回滾。事務是資料庫管理系統（DBMS）中的核心概念，用於確保資料在並行存取和操作時的一致性和完整性。

ACID 特性

事務通常遵循 ACID 特性，這是指：

  • 原子性（Atomicity）：事務中的操作要麼全部成功，要麼全部失敗。如果任何操作失敗，整個事務都會回滾，保持資料的一致性。

假設您正在購物超市，您選擇了一些商品放入購物籃。原子性就像是您在結賬時，要麼所有商品都被正確地掃描和計算，要麼沒有商品被結賬，就像是所有商品一起被稱為一個「原子」單位。

  • 一致性（Consistency）：事務將資料庫從一個合法狀態轉換為另一個合法狀態，不會違反資料完整性約束。

在購物過程中，超市會檢查您購物籃中的商品是否與價格一致，以確保不會因為錯誤標價而導致不一致的情況。一致性就像是超市保持商品和價格一致，您購買的商品總是符合預期。

  • 隔離性（Isolation）：並行執行的事務相互隔離，一個事務的操作不會影響其他事務，直到事務提交才對其他事務可見。

想象您和朋友同時在超市購物，但您的購物籃和朋友的購物籃是分開的，互不干擾。這就是隔離性，不同的購物籃（事務）在彼此之間是隔離的，不會相互干擾

  • 永續性（Durability）：一旦事務提交，其對資料庫的更改將永久儲存，即使系統崩潰也不會丟失。

假設您購買了商品並完成了結賬，超市會將您購買的記錄存檔，以備將來查詢。即使您離開超市，您的購買記錄仍然被保留，就像是您的購物資訊被「持久」儲存

事務的基本操作

一個典型的事務通常包括以下步驟：

  1. 開始事務（BEGIN）：事務開始前，DBMS 記錄當前狀態以備後用。

  2. 執行操作（Perform Operations）：在事務內執行資料庫操作，如插入、更新、刪除等。

  3. 提交事務（COMMIT）：如果事務內的所有操作都成功完成，可以將事務提交，將更改永久儲存到資料庫中。

  4. 回滾事務（ROLLBACK）：如果在事務執行期間發生錯誤，可以回滾事務，撤消之前的操作，將資料庫恢復到事務開始前的狀態。

事務的隔離級別

事務隔離級別控制了事務之間的可見性和並行行為。常見的隔離級別包括：

  • 讀未提交（Read Uncommitted）：在這個隔離級別下，一個事務可以讀取其他事務尚未提交的資料。這可能導致髒讀（讀取了未提交的資料）、不可重複讀（同一查詢在事務執行期間返回不同結果）和幻讀（事務在同一查詢中看到不同的資料行）等問題。讀未提交的隔離級別最不嚴格，可能會引發資料不一致問題

  • 讀已提交（Read Committed）：在這個隔離級別下，一個事務只能讀取已經提交的資料，避免了髒讀問題。但是，不可重複讀和幻讀問題仍然可能出現。因為其他事務可能在事務進行期間提交新的資料，導致不同時間點的查詢結果不一致。

  • 可重複讀（Repeatable Read）：可重複讀隔離級別確保在同一事務內，同一個查詢的結果保持一致。這意味著一個事務中的查詢不會受到其他事務的修改影響。這可以防止髒讀和不可重複讀問題，但幻讀問題仍然可能出現，因為其他事務可能插入新資料，導致新資料行的出現。

  • 序列化（Serializable）：序列化是最嚴格的隔離級別，它確保每個事務都在獨立的時間段內執行，防止了並行問題。事務按照順序一個接一個地執行，這可以解決髒讀、不可重複讀和幻讀問題。然而，序列化可能會對效能產生較大的影響，因為事務需要依次執行。

上面說到事務的隔離級別可以解決髒讀、幻讀、不可重複讀的問題。那麼什麼是髒讀、幻讀、和不可重複讀呢？

  • 髒讀（Dirty Read）：
    髒讀指的是在一個事務中讀取了另一個事務未提交的資料。假設事務 A 修改了某一行資料，但還沒有提交。同時，事務 B 嘗試讀取了事務 A 修改的資料。如果事務 A 最終回滾了，那麼事務 B 讀取的資料就是不存在的，這就是髒讀。髒讀會導致不準確的資料展示，因為讀取的資料可能是臨時的、未經驗證的。

想象你正在製作一個蛋糕，但在製作過程中，你的朋友看了一眼，然後走了。在他離開之前，你還沒有完成蛋糕，但他已經看到了不完整的狀態。這就好像是一個「髒讀」：朋友讀取了還沒有完成的資訊，結果可能是不準確或臨時的。

  • 不可重複讀（Non-repeatable Read）：
    不可重複讀是指在同一個事務內，多次讀取同一資料時，得到不同的結果。這可能是因為在事務執行期間，其他事務修改了資料。例如，事務 A 在讀取某一行資料後，事務 B 修改了這行資料，並提交了。現在事務 A 再次讀取相同的資料，發現資料已經不同了，造成了不一致的現象。

假設你正在讀一本小說，當你讀到一部分內容時，有人偷偷地在書的後面新增了一些新章節。如果你再次閱讀同一部分，你會發現內容已經改變了，因為有新的內容被新增進來。這就像是「不可重複讀」：同樣的資料在短時間內發生了變化，導致你得到了不同的結果。

  • 幻讀（Phantom Read）：
    幻讀是指在同一個事務內，多次查詢同一範圍的資料時，得到不同的結果。這與不可重複讀類似，但幻讀關注的是資料的數量變化。例如，事務 A 在查詢某個範圍內的所有資料時，事務 B 插入了新資料，並提交了。現在事務 A 再次查詢同一範圍的資料，發現資料行的數量增加了，這就是幻讀。

想象你正在草地上採摘草莓，你數了一下有多少個成熟的草莓。然後你去拿一個籃子，當你回來時，發現有一些新的草莓從草叢裡冒出來，導致總數增加了。這就是「幻讀」：同一範圍內的資料在短時間內發生了變化，導致數量發生了變化。

事務的傳播行為

事務的傳播行為是指在多個事務邊界互動時，一個事務如何與另一個事務進行互動和傳播。傳播行為定義了事務的範圍、邊界和巢狀關係，以確保事務的一致性和正確性。以下是幾種常見的事務傳播行為：

  • PROPAGATION_REQUIRED（需要事務）：
    這是預設的傳播行為。如果當前沒有事務，就建立一個新事務；如果已經存在事務，就加入該事務。這意味著如果方法被呼叫時沒有事務，則會建立一個新事務。如果方法已經在事務中，則方法將使用已經存在的事務。這樣做可以保證事務巢狀。

這就像您和朋友在一起製作一張拼圖。如果朋友已經在拼圖上工作（存在事務），您會加入他的工作。如果沒有人在拼圖，您會建立一個新的拼圖，然後加入製作過程。這樣，無論之前是否有拼圖，您都可以保證最終拼圖是一張完整的。

  • PROPAGATION_REQUIRES_NEW（需要新事務）：
    無論當前是否存在事務，都會建立一個新的事務。如果方法已經在事務中，則當前事務會被掛起，新事務將建立。這樣做可以在方法執行期間獨立於外部事務建立一個新的事務，確保完全隔離。

這就像您與朋友們一起在不同的活動中度過週末。無論朋友們在做什麼活動（存在事務），您都決定自己嘗試一項新活動，不受其他人的影響。您可以全身心地投入新的活動，不必擔心與其他活動的衝突。

  • PROPAGATION_NESTED（巢狀事務）：
    如果當前存在事務，則在該事務內巢狀一個新事務。如果沒有事務，則行為類似於 PROPAGATION_REQUIRED。巢狀事務可以回滾到巢狀點，而不會影響外部事務。這樣可以實現更細粒度的事務管理。

想象您和家人一起做一個家庭專案，同時每個家庭成員也在做各自的小專案。您的小專案被巢狀在整個家庭專案中。您的專案可以獨立完成，但仍然受到家庭專案的影響。如果家庭專案失敗，您的專案也會受到影響。

  • PROPAGATION_SUPPORTS（支援事務）：
    如果當前存在事務，則加入該事務；如果沒有事務，則以非事務方式執行。這意味著方法將根據呼叫方的上下文來決定是否執行在事務中。

這就像您加入一個跳繩團隊的訓練。如果其他人正在跳繩（存在事務），您可以選擇加入他們的活動。如果沒有人在跳繩，您可以以非正式的方式自己練習，不需要參與到團隊的事務中。

  • PROPAGATION_NOT_SUPPORTED（不支援事務）：
    以非事務方式執行方法。如果當前存在事務，則將其掛起，方法執行完畢後恢復原事務。這樣可以保證方法的執行不受外部事務的影響。

這就像您在休閒時間去運動，不受任何工作的干擾。無論別人是否在工作，您可以專注於自己的活動，沒有事務的干擾。

  • PROPAGATION_MANDATORY（強制性的事務）：
    必須在一個已存在的事務中執行，否則將丟擲異常。這樣可以確保方法在事務上下文中被呼叫。

這就像您參加一個要求穿制服的活動。您必須穿制服（存在事務）才能參與，否則將無法參加。

  • PROPAGATION_NEVER（不允許事務）：
    必須在非事務環境中執行，否則將丟擲異常。這樣可以確保方法不會被錯誤地巢狀在事務中。

這就像您在一個休息時間內，被告知不能工作。無論其他人是否在工作，您不能參與到事務中。

如何正確使用事務？

在應用程式中，正確使用事務至關重要。以下是一些指導原則：

  1. 小而短的事務：將事務保持儘可能小和短，以減少對資料庫資源的鎖定時間，提高並行效能。

  2. 適當的隔離級別：選擇適當的隔離級別，平衡資料的一致性和效能需求。

  3. 例外處理：捕獲和處理事務中的異常，以便在錯誤發生時能夠正確地回滾事務。

  4. 批次操作：對大量資料進行操作時，考慮使用批次操作，減少事務的數量，提高效能。

  5. 事務巢狀：某些資料庫支援事務巢狀，但必須小心使用，確保正確的提交和回滾順序。

總結

事務是資料庫管理中保證資料一致性和完整性的重要工具。通過遵循 ACID 特性、正確使用事務操作和選擇適當的隔離級別，我們可以確保應用程式的資料在並行環境下保持穩定。深入理解和正確使用資料庫事務，將使您的應用更加可靠、穩定和高效。